Обмен веществ (метаболизм) – это совокупность взаимосвязанных процессов синтеза и расщепления химических веществ, происходящих в организме:
1.анаболизм (ассимиляция, пластический обмен) – синтез более сложных мономеров из более простых с поглощением и накоплением энергии в виде химических связей в синтезированных веществах.
2.катаболизм (диссимиляция, энергетический обмен) – распад более сложных мономеров на более простые с освобождением энергии и ее запасанием в виде макроэргических связей АТФ.
Анаболизм и катаболизм связаны между собой. Все синтетические процессы нуждаются в веществах и энергии, поставляемых процессами расщепления.
Процессы расщепления катализируются ферментами, синтезирующимися в ходе пластического обмена, с использованием продуктов и энергии энергетического обмена.
Живые существа для своей жизнедеятельности используют световую и химическую энергию.
Зеленые растения – автотрофы – синтезируют органические соединения в процессе фотосинтеза, используя энергию солнечного света. Источником углерода для них является углекислый газ. Многие автотрофные прокариоты добывают энергию в процессе хемосинтеза – окисления неорганических соединений. Для них источником энергии могут быть соединения серы, азота, углерода.
Гетеротрофы используют органические источники углерода, т.е. питаются готовыми органическими веществами.
Особая группа организмов – миксотрофы – питаются смешанным способом – это растения росянка, венерина мухоловка (среди растений есть даже гетеротроф – раффлезия); а среди животных есть одноклеточное животное - эвглена зеленая.
Ферменты – это специфические белки – катализаторы. Термин «специфические» означает, что объект, по отношению к которому этот термин употребляется, имеет неповторимые особенности, свойства, характеристики. Каждый фермент обладает такими особенностями, потому что, как правило, катализирует определенный вид реакций. Иными словами, к активному центру фермента, имеющему сложное строение, как к замку, подходит только один или несколько «ключей» - расщепляющихся субстратов или ингибиторов.
Ни одна биохимическая реакция в организме не происходит без участия ферментов. Особенности специфичности молекулы фермента объясняются ее строением и свойствами . В молекуле фермента есть активный центр (замок) , пространственная конфигурация которого соответствует пространственной конфигурации веществ, с которыми фермент взаимодействует (ключам) . Узнав свой субстрат, фермент взаимодействует с ним и ускоряет его превращение.
Ферментами катализируются все биохимические реакции.
Активность ферментов зависит от температуры, кислотности среды, количества субстрата, с которым он взаимодействует. При повышении температуры активность ферментов увеличивается. Однако происходит это до определенных пределов, т.к. при достаточно высоких температурах белок денатурируется. Среда, в которой могут функционировать ферменты, для каждой группы различна. Есть ферменты, которые активны в кислой или слабокислой среде или в щелочной или слабощелочной среде. В кислой среде активны ферменты желудочного сока у млекопитающих. В слабощелочной среде активны ферменты кишечного сока. Пищеварительный фермент поджелудочной железы активен в щелочной среде. Большинство же ферментов активны в нейтральной среде.
Чтобы максимально точно ответить на заданный вопрос рассмотрим понятия "пластический и энергетический обмен".
Понятия пластического и энергетического обмена
Эти два понятия вытекают из определения обмена веществ. Метаболизм или обмен веществ - это скорость химических соединений, которые ежедневно происходят в нашем организме. Обмен веществ состоит из двух компонентов: пластического и энергетического обмена. Рассмотрим подробнее эти два понятия:
- Энергетический обмен - это обменный процесс, при котором происходит разделение питательных веществ до простейших соединений. Выделяют несколько этапов энергетического обмена.
- Пластический обмен - это реакции, происходящие в организме, при которых синтезируется химические вещества из сложных в простые при помощи энергии. По-другому, пластический обмен именуется анаболизмом.
Стадии энергетического обмена
- Подготовительная стадия. На данной стадии происходит в желудке человека, где белки под действием различного типа ферментов распадаются на простейшие аминокислоты, а углеводы - на моносахариды.
- Анаэробная стадия. Расщепляются органические соединения до более простых и однородных веществ. Анаэробная стадия может протекать в организме, не включая в себя кислород. Данный этап протекает исключительно в цитоплазме.
- Аэробная стадия должна происходит только при участии кислорода. На этой стадии промежуточные продукты обмена превращаются в переработанные продукты.
Заканчивается процесс энергетического обмена непосредственно в клетке, а именно в митохондриях.
Разновидности пластического обмена
Пластический обмен веществ, в отличие от энергетического процесса происходит только на клеточном уровне. Пластический обмен имеет три разновидности:
- Фотосинтез (Обладают исключительно растения и бактерии).
- Хемосинтез (Используются определёнными бактериями без участия кислорода).
- Биосинтез белков (Происходит обмен белков в организме человека, которые впоследствии превращаются в аминокислоты).
Таким образом, пластический и энергетический обмен имеют связь между собой. Энергетический обмен проходит несколько этапов и преимущественно протекает в митохондриях. А пластический обмен происходит исключительно в клетках.
Энергетический обмен, или катабализм или диссимиляция, происходит в митохондриях. В ходе него высвобождается энергия в виде молекул АТФ и тепла, которое рассеивается по клетке/ организму. Данный процесс называется гликолизом, имеет 3 стадии. Подготовительную, бескислородную- матрикс митохондрий, из глюкозы образуется 2 молекулы АТФ и пировиноградная кислота. Кислородный этап-кристы тех же митохондрий. Пировиноградная кислота окисляется до кислорода и воды, образуется 36 молекул АТФ.
Пластический, ассимиляция или анаболизм, происходит в результате синтеза организмом веществ. В первую очередь белков. Происходит на рибосомах.
Любое проявление формы жизни на земном шаре определенным образом контактирует с внешней средой вокруг себя. Любой организм получает то, что поддерживает в нем жизнь из вне. Между поступлением в организм всего того, что поддерживает в нем жизнь и всеми дальнейшими процессами расщепления, распада, усвоения и окончательного выведения из организма поступивших веществ есть взаимосвязь. На клеточном уровне организма течет своя непрерывная жизнь. Как обеспечивается поддержание этой жизни?
Понятие об обменных процессах
В организме человека и любых живых существ, а также растений непрерывно на протяжении всей их жизни происходят обменные процессы. Обменные процессы – это различные химические реакции для обеспечения жизнедеятельности человеческого организма и любого живого организма. Чем бы человек ни занимался, а обмен веществ в организме идет своим чередом. В любых других живых организмах и существах идут различные обменные процессы на клеточном уровне. Пока есть любая форма жизни, в ней есть обмен веществ.
Вещества, играющие роль в обеспечении жизнедеятельности человека попадают в его организм с пищей. Любая еда, попав в организм, проходит определенную трансформацию и уже в определенной видоизмененной форме начинает участвовать в обменных процессах. Также организм человека взаимодействует с окружающей средой, что вызывает свои химические реакции. Все химические процессы и реакции в совокупности в клетках человеческого организма можно определить, как обмен веществ и высвободившейся энергии.
Растения так же, как и животные, и люди, зависят от окружающей среды. Ведь из нее они получают пищу и энергию. Это тоже обмен веществ, характерный для этой группы живых организмов. Другое название этому – метаболизм. Это научное понятие, подразделяемое на два противоположных, но неразрывных процесса. Это пластический обмен (анаболизм) и энергетический обмен (катаболизм).
Что такое обмен пластического типа?
Обмен пластического характера – это все процессы, в результате которых происходит выстраивание молекул и всех существующих органоидов по определенной схеме (биосинтез), обеспечивающей жизнедеятельность организма, а затем дальнейшее деление клеток и рост любой формы жизни, а также процессы регенерации поврежденных и мертвых клеток.
Что такое обмен энергетического типа? Что можно сказать об энергетическом обмене?
Энергетический обмен – это следующие за усвоением веществ реакции разрушения и распада и дальнейшего выведения остатков обмена из организма. В результате такого распада веществ в любом живом организме (будь то человек, животное или растение) остаются лишь простейшие соединения. Процессы распада (биологического окисления) происходят довольно медленно. В результате они приводят к высвобождению энергии, источником которой была пища. Освобожденная энергия частично просто рассеивается, как тепловая энергия, а частично направляется на процессы синтеза.
Чем пластический обмен отличается от энергетического?
Обмен пластического типа – это синтез (образование) сложнейших веществ из простейших. Обмен этого вида невозможен без определенных затрат энергии. Пример обмена пластического характера – это синтезирование из аминокислот белков, а из жирных кислот и того же глицерина – жиров. Но пластический обмен на этой стадии еще не завершается. Сами по себе в отдельности белки, жиры, углеводы еще ничего не значат. Из них должно быть построено межклеточное пространство, а для этого нужна энергия. Здесь на передний план должен выйти другой тип обмена (энергетический).
Энергетический обмен отличается от пластического обмена тем, что при нем происходит разложение сложных веществ , попавших в живой организм, на более простые. Этот обмен освобождает энергию в форме АТФ (аденозинтрифосфата, являющегося универсальным единственным в своем роде источником энергии в клетке). Всем нам известны продукты энергетического обмена веществ. Это обычная вода, подлежащий обязательному выведению из организма углекислый газ и другие остаточные вещества, которые уже не могут участвовать в синтезе новых клеток и дальнейшем обмене веществ.
В энергетическом обмене можно указать три стадии:
- На первой начальной стадии расщепляются белки, углеводы и жиры . Из них в итоге расщепления образуются простейшие молекулы, которые уже находятся вне клеточного пространства.
- Вторая стадия – это стадия, так называемого, брожения . Здесь уже расщепленные молекулы направляются в клетки и еще раз распадаются (еще на более простейшие формы). Кислород в данном процессе не участвует. В завершении этой стадии выделяется энергия.
- На третьей стадии всегда будет задействован кислород . Поэтому эта стадия получила название дыхание. Кислород – это и есть жизнь. Под его воздействием идет окисление любой органики, что делает возможным выделение всей необходимой для поддержания жизни энергии.
Маленькое заключение
Все сложные химические реакции, имеющие место в процессах обменов веществ, определенным образом взаимосвязаны с внешним миром. Из внешнего мира человек и живые организмы получают все необходимые питательные вещества. К примеру, человек что-то получает с пищей, а что-то с тем же солнцем. Питательные вещества, попав к человеку, животному, растению, уже послужат сырьем для пластического обмена. А энергия для поддержания жизни появится при их расщеплении. То есть, не бывает пластического обмена без энергетического типа обмена. В процессах жизнедеятельности всех существ на земле имеют место оба вида обмена.
Раздел. Обмен веществ.
Задания для самостоятельного выполнения.
1.Подготовить сообщения и презентации на темы:
-«Роль вирусов в жизни человека»
- «Вирус герпеса: невидимый враг»,
-«ВИЧ: вирус иммунодефицита человека»;
используя различные (печатные, электронные) источники информации.
Форма контроля самостоятельной работы:
Защита презентации и сообщений
Проверка рабочей тетради
Вопросы для самоконтроля по теме:
1. Как устроены вирусы.
2. Чем отличаются простые вирусы от сложных.
3. Каков принцип взаимодействия вируса с клеткой.
4. Как вирус проникает в клетку.
5. В чем проявляется действие вирусов на клетку.
6. Почему вирусы называют внеклеточной формой жизни.
Основные понятия и термины по теме: гомеостаз, метаболизм, пластический обмен (анаболизм, ассимиляция), фотосинтез,
автотрофы, хемотрофы, гетеротрофы, световая фаза, темновая фаза, метаболизм, диссимиляция, брожение, подготовительный этап, кислородный этап.
План изучения темы:
1. Метаболизм- основа существования живых организмов.
2. Пластический обмен: фотосинтез как автотрофный тип обмена веществ
3. Энергетический обмен
4. Этапы энергетического обмена
5. Митохондрии - «силовые станции» клетки
Краткое изложение теоретических вопросов:
1. В клетке непрерывно идут процессы биологического синтеза. С помощью ферментов из простых веществ образуются сложные: из аминокислот синтезируются белки, из моносахаридов- углеводы, из азотистых оснований и сахаров- нуклеотиды, а из них- нуклеиновые кислоты. Совокупность реакций биосинтеза называется пластическим обменом . Процесс, противоположный синтезу, является диссимиляци я, или энергетический обмен . При расщеплении сложных веществ выделяется энергия, необходимая для биологического синтеза. Эти процессы взаимосвязаны друг с другом и обеспечивают постоянство внутренней среды организма- гомеостаз.
2. Пластический обмен (анаболизм, ассимиляция) –это совокупность реакций биологического синтеза. Все процессы метаболизма идут под контролем наследственного аппарата. Фотосинтез - особый тип обмена веществ, происходящий в клетках растений и ряда бактерий, содержащих хлорофилл и хлоропласты. Фотосинтез - процесс образования органических веществ в хлоропластах из углекислого газа и воды с использованием энергии солнечного света.
Суммарное уравнение фотосинтеза:
Хлорофилл - высокоактивное органическое вещество, зеленый пигмент, его роль в фотосинтезе: поглощение энергии солнечного света, которая используется для образования богатых энергией органических веществ из бедных энергией неорганических веществ - углекислого газа и воды.
Органоиды клетки - хлоропласты со множеством выростов на внутренней мембране, увеличивающих ее поверхность. Встроенные в мембраны гран молекулы хлорофилла и ферментов, необходимые для поглощения и преобразования энергии света, осуществления реакций фотосинтеза.
Выделяют 2 стадии:
Световая стадия - образуются высокоэнергетические продукты: АТФ, служащий в клетке источником энергии, и НАДФН, использующийся как восстановитель. В качестве побочного продукта выделяется кислород. В общем, роль световых реакций фотосинтеза заключается в том, что в световую фазу синтезируются молекула АТФ и молекулы-переносчики протонов, то есть НАДФ Н 2 .Происходит в гранах хлоропластов.
Темновая фаза
- с участием АТФ и НАДФН происходит восстановление CO 2 до глюкозы (C 6 H 12 O 6). Хотя свет не требуется для осуществления данного процесса, он участвует в его регуляции. Происходит в строме хлоропластов.
3. Энергетический обмен
- совокупность реакций окисления органических веществ в клетке, синтеза молекул АТФ за счет освобождаемой энергии. Значение энергетического обмена - снабжение клетки энергией, которая необходима для жизнедеятельности.
4. Этапы энергетического обмена
:
подготовительный, бескислородный, кислородный.
1) Подготовительный - расщепление в лизосомах полисахаридов до моносахаридов, жиров до глицерина и жирных кислот, белков до аминокислот, нуклеиновых кислот до нуклеотидов. Рассеивание в виде тепла небольшого количества освобождаемой при этом энергии;
2) бескислородный(анаэробный гликолиз)или брожение - окисление веществ без участия кислорода до более простых, синтез за счет освобождаемой энергии двух молекул АТФ. Осуществление процесса на внешних мембранах митохондрий при участии ферментов; Процесс этот малоэффективный.
3) кислородный - окисление кислородом воздуха простых органических веществ до углекислого газа и воды, образование при этом 36 молекул АТФ. Окисление веществ при участии ферментов, расположенных на кристах митохондрий. Сходство энергетического обмена в клетках растений, животных, человека и грибов - доказательство их родства.
5. Митохондрии
- «силовые станции» клетки, их отграничение от цитоплазмы двумя мембранами - внешней и внутренней. Увеличение поверхности внутренней мембраны за счет образования складок - крист, на которых расположены ферменты. Они ускоряют реакции окисления и синтеза молекул АТФ. Огромное значение митохондрий - причина большого количества их в клетках организмов почти всех царств.
Лабораторные работы/ Практические занятия «не предусмотрено»
Пластический обмен веществ обозначает совокупность реакций: усвоение и преобразование поступаемых веществ с участием энергии. Организм человека состоит из сложных химических непрекращающихся реакций, как синтез и расщепление, посредством которых разрушаются одни вещества и образуются другие.
Что такое пластический обмен веществ
Получаемый кислород, органические вещества, вода и минеральные соли преобразуются, и человек выделяет наружу конечные продукты метаболизма, как вода, креатинин, азотосодержащие соединения, соли мочевой кислоты и другие излишки, поддерживая этим основную функцию обмена веществ. Метаболизм человека состоит из противоположных, но неотделимых действий ассимиляции (пластического обмена) и диссимиляции (энергетического обмена).
Организм, вследствие расщепления, пополняется необходимой энергией, частью которой делиться с окружающей средой в виде рассеивания тепла. Сочетание таких процессов, определяющих условия усвоения и накопления необходимой энергии, составляют суть пластического обмена и жизнедеятельности в целом.
Получаемые организмом питательные вещества участвуют в синтезе белков, углеводном обмене и отвечают за качество построения новых клеток. Благодаря пластическому обмену происходит развитие и деление клеток, способных меняться на протяжении жизни.
Например, только за сутки в желудке и кишечнике человека меняется до половины эпителиальных клеток, 1,75 клеток костного скелета и миллиарды лейкоцитов и эритроцитов крови. Значение этого вида обмена сводится к обеспечению клетки строительным материалом белком и органическими веществами.
Значение белка для организма и метоболизма
Белки являются пластическим материалом, а его молекулы постоянно обновляются. Место любой разрушенной молекулы занимает новая, и таким образом клетка сохраняет одинаковый химический состав. Подобное обновление происходит благодаря белковым продуктам и через реутилизацию собственных белков. Из 20 аминокислот, отвечающих за образование белков белки, 10 остаются незаменимыми они не способны синтезироваться организмом. Если брать тот факт, что в конечный распад составляют азотосодержащие соединения, а белковый обмен оценивается по азотистому балансу в соотношении поступления и выделения организмом, и ему требуется сохранение определенного оптимума для поддержания жизнедеятельности.
Виды обменов взаимодополняемы, но не всегда сбалансированы, потому как на процесс метаболизма влияет возраст человека. В молодости преобладает пластический обмен в период интенсивного развития организма подразумевается большое количество питательных веществ, что нехарактерно для более зрелых людей.
