Тест по теме энергетический обмен

«Обмен веществ и превращения энергии. Ферменты»

Раздел ЕГЭ: 2.5.  Обмен веществ и превращения энергии — свойства живых организмов. Энергетический обмен и пластический обмен, их взаимосвязь. Стадии энергетического обмена. Брожение и дыхание. Фотосинтез, его значение, космическая роль. Фазы фотосинтеза. Световые и темновые реакции фотосинтеза, их взаимосвязь. Хемосинтез. Роль хемосинтезирующих бактерий на Земле.

Клетку можно уподобить миниатюрной химической фабрике, на которой происходят сотни и тысячи химических реакций. Обмен веществ — совокупность химических превращений, направленных на сохранение и самовоспроизведение биологических систем. Он включает в себя:

• поступление веществ в организм в процессе питания и дыхания,
• внутриклеточный обмен веществ, или метаболизм,
• выделение конечных продуктов обмена.

Метаболизм складывается из двух одновременно протекающих в клетке процессов: пластического и энергетического обменов.

Энергетический обмен и пластический обмен

Пластический обмен (анаболизм, ассимиляция) представляет собой совокупность реакций синтеза, которые идут с затратой энергии АТФ. В процессе пластического обмена синтезируются органические вещества, необходимые клетке. Примерами реакций пластического обмена являются фотосинтез, биосинтез белка и репликация (самоудвоение) ДНК.

Энергетический обмен (катаболизм, диссимиляция) — это совокупность реакций расщепления сложных веществ до более простых. В результате энергетического обмена выделяется энергия, запасаемая в виде АТФ. Наиболее важными процессами энергетического обмена являются дыхание и брожение.

Пластический и энергетический обмены неразрывно связаны, поскольку в процессе пластического обмена синтезируются органические вещества и для этого необходима энергия АТФ, а в процессе энергетического обмена органические вещества расщепляются и высвобождается энергия, которая затем будет израсходована на процессы синтеза.

Энергию организмы получают в процессе питания, а высвобождают ее и переводят в доступную форму в основном в процессе дыхания.

Ферменты

Протекание химических реакций в живых организмах обеспечивается благодаря биологическим катализаторам белковой природы — ферментам, или энзимам. Как и другие катализаторы, ферменты ускоряют протекание химических реакций в клетке в десятки и сотни тысяч раз, а иногда и вообще делают их возможными, но не изменяют при этом ни природы, ни свойств конечного продукта (продуктов) реакции и не изменяются сами. Ферменты могут быть как простыми, так и сложными белками, в состав которых, кроме белковой части, входит и небелковая — кофактор (кофермент). Примерами ферментов являются амилаза слюны, расщепляющая полисахариды при длительном пережевывании, и пепсин, обеспечивающий переваривание белков в желудке.

Ферменты отличаются от катализаторов небелковой природы высокой специфичностью действия, а также возможностью регуляции действия за счет изменения условий протекания реакции либо взаимодействия с ними различных веществ. К тому же и условия, в которых протекает ферментный катализ, существенно отличаются от тех, при которых идет неферментный: оптимальной для функционирования ферментов в организме человека является температура 37° С, а давление должно быть близким к атмосферному.

Механизм действия ферментов заключается в снижении энергии активации веществ (субстратов), вступающих в реакцию, за счет образования промежуточных фермент-субстратных комплексов.

• Стадии энергетического обмена. Брожение и дыхание.
• Фотосинтез, его значение, космическая роль. Фазы фотосинтеза. Световые и темновые реакции фотосинтеза, их взаимосвязь. Хемосинтез. Роль хемосинтезирующих бактерий на Земле

Этапы

Прежде чем пища превратится в энергию, она должна пройти долгий путь по желудочно-кишечному тракту, попасть в кровь и достигнуть каждой клетки, где начнётся метаболизм. Весь процесс делится на три стадии, которые описаны в таблице.

Рис. 3. Схема обмена веществ.

На протяжении всего метаболизма задействованы катализаторы – ферменты, которые ускоряют синтез или распад. Ферменты действуют избирательно: каждый вид участвует в строго определённых реакциях. Например, амилаза помогает расщепить крахмал в ротовой полости.

Регуляцию обмена веществ осуществляет гипоталамус, где находятся центры теплообмена, ощущений голода, жажды, насыщения. Нейроны гипоталамуса реагируют на уровень глюкозы, изменение давления, температуры и т.д. В соответствии с полученной информацией гипоталамус корректирует метаболизм.

Что мы узнали?

Кратко узнали об основных стадиях и этапах метаболизма, взаимодействии и примерах катаболизма и анаболизма, о значении ферментов для метаболизма и центре контроля всех внутриклеточных процессов.

Обмен веществ – основа существования клетки

Для изучения клетки под микроскопом обычно ее фиксируют, окрашивают. На приготовленном микропрепарате рассматривают уже неживую клетку, поэтому создается впечатление, что все структурные части клетки неподвижны, статичны, а это не соответствует действительности. На самом деле в живой клетке все находится в движении: движется цитоплазма, увлекая за собой многие органоиды, вещества и включения; активно работают рибосомы и митохондрии, совершается множество химических превращений. Во всех этих процессах жизнедеятельности накапливается, тратится и преобразуется энергия. Из окружающей среды в клетку поступают различные вещества, а из клетки в окружающую среду удаляются ненужные продукты обмена. Так осуществляется обмен веществ, или метаболизм (греч. metabole – «превращение»).

Обмен веществ и энергии (метаболизм) – это совокупность биохимических реакций, протекающих в клетке и обеспечивающих процессы ее жизнедеятельности.

Обмен веществ складывается из двух взаимосвязанных процессов – анаболизма и катаболизма.

Анаболизм (греч. anabole – «подъем»), или ассимиляция (лат. assimilatio – «слияние», «усвоение»), – совокупность химических процессов, направленных на образование и обновление структурных частей клеток. Поэтому анаболизм еще называют пластическим обменом. В ходе анаболизма происходит биосинтез сложных молекул из простых молекул–предшественников или из молекул веществ, поступивших из внешней среды. Важнейшими процессами анаболизма являются синтез белков и нуклеиновых кислот (свойствен всем организмам) и синтез углеводов (у растений, некоторых бактерий и цианобактерий).

Анаболизм является созидательным этапом обмена веществ. Он осуществляется всегда с потреблением энергии при участии ферментов.

В процессе анаболизма с образованием сложных молекул идет накопление энергии, главным образом, в виде химических связей. Поступление этой энергии в большинстве случаев обеспечивается реакциями биологического окисления веществ клетки – реакциями катаболизма.

Катаболизм (греч. katabole – «сбрасывание», «разрушение»), или диссимиляция, – совокупность реакций, в которых происходит распад органических веществ с высвобождением энергии. При разрыве химических связей молекул органических соединений энергия высвобождается и запасается, главным образом, в виде молекул аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ), т. е. аденозинтрифосфата. Синтез АТФ у эукариот происходит в митохондриях и хлоропластах, а у прокариот – в цитоплазме, на мембранных структурах.

Катаболизм обеспечивает все биохимические процессы в клетке энергией, поэтому его еще называют энергетическим обменом.

В процессе эволюции клетки живых организмов выработали регуляторные системы, обеспечивающие упорядоченность и согласованность метаболических реакций. Это и позволяет им адаптироваться к изменяющимся условиям окружающей среды.

Аденозинтрифосфорная кислота, или АТФ, – это нуклеотид, содержащий аденин, рибозу и трифосфат (три остатка фосфорной кислоты).

Молекула АТФ очень энергоёмка. Она является универсальным переносчиком и накопителем энергии. Энергия заключена в связях между тремя остатками фосфорной кислоты.

Как происходит выделение энергии в клетке? Отделение от АТФ одного концевого фосфата (Ф) сопровождается выделением 40 кДж на 1 моль, тогда как при разрыве химических связей других соединений выделяется 12 кДж. Образовавшаяся при этом молекула аденозиндифосфата (АДФ) с двумя фосфатными остатками может быстро восстановиться до АТФ или, при необходимости отдав еще один концевой фосфат, превратиться в аденозинмонофосфат (АМФ).

Пара АТФ/АДФ служит основным механизмом выработки энергии в клетке. Присоединение фосфорных остатков к АМФ и АДФ сопровождается накоплением (аккумуляцией) энергии, а их отщепление от АТФ и АДФ приводит к выделению энергии. Благодаря богатым энергией химическим связям в молекулах АТФ клетка способна накапливать много энергии и расходовать ее по мере надобности на все жизненные процессы клетки и организма в целом.

1.3. Уровни организации живой материи. Методы биологии

Вспомните!

Какие уровни организации живой материи вам известны?

Какие вы знаете методы научных исследований?

Уровни организации живой материи. Окружающий нас мир живых существ – это совокупность биологических систем разной степени сложности, образующих единую иерархическую структуру. Причем следует отчетливо представлять, что взаимосвязь отдельных биологических систем, принадлежащих к одному уровню организации, формирует качественно новую систему. Одна клетка и множество клеток, один организм и группа организмов – разница не только в количестве. Совокупность клеток, обладающих общим строением и функцией, – это качественно новое образование – ткань. Группа организмов – это семья, стая, популяция, т. е. система, обладающая совершенно иными свойствами, нежели простое механическое суммирование свойств нескольких особей.

В процессе эволюции происходило постепенное усложнение организации живой материи. При образовании более сложного уровня предыдущий уровень, возникший ранее, входил в него как составная часть. Именно поэтому уровневая организация и эволюция являются отличительными признаками живой природы. В настоящее время жизнь как особая форма существования материи представлена на нашей планете несколькими уровнями организации (рис. 2).

Молекулярно-генетический уровень. Как бы сложно ни была организована любая живая система, в ее основе лежит взаимодействие биологических макромолекул: нуклеиновых кислот, белков, углеводов, а также других органических веществ. С этого уровня начинаются важнейшие процессы жизнедеятельности организма: кодирование и передача наследственной информации, обмен веществ, превращение энергии.

Клеточный уровень. Клетка – это структурно-функциональная единица всего живого. Существование клетки лежит в основе размножения, роста и развития живых организмов. Вне клетки жизни нет, а существование вирусов только подтверждает это правило, потому что они могут реализовывать свою наследственную информацию только в клетке.

Тканевый уровень. Ткань – это совокупность клеток и межклеточного вещества, объединенных общностью происхождения, строения и выполняемой функции. В животных организмах выделяют четыре основных типа ткани: эпителиальную, соединительную, мышечную и нервную. В растениях различают образовательные, покровные, проводящие, механические, основные и выделительные (секреторные) ткани.

Органный уровень. Орган – это обособленная часть организма, имеющая определенную форму, строение, расположение и выполняющая конкретную функцию. Орган, как правило, образован несколькими тканями, среди которых одна (две) преобладает.

Рис. 2. Уровни организации живой материи

Организменный (онтогенетический) уровень. Организм – это целостная одноклеточная или многоклеточная живая система, способная к самостоятельному существованию. Многоклеточный организм образован совокупностью тканей и органов. Существование организма обеспечивается путем поддержания гомеостаза (постоянства структуры, химического состава и физиологических параметров) в процессе взаимодействия с окружающей средой.

Популяционно-видовой уровень. Популяция – совокупность особей одного вида, в течение длительного времени проживающих на определенной территории, внутри которой осуществляется в той или иной степени случайное скрещивание и нет существенных внутренних изоляционных барьеров; она частично или полностью изолирована от других популяций данного вида.