§ 27. Обмен веществ и превращение энергии в клетке

Вопрос 1. Почему биологические системы называют открытыми?

Открытые биологические системы — это системы, устойчивые лишь при условии непрерывного поступления в них энергии и вещества из окружающей среды и выделения их обратно в окружающую среду.

Зелёные растения используют солнечную энергию для синтеза органических веществ, из которых строится их тело. Другие организмы получают энергию в результате распада сложных органических веществ пищи на более простые. Таким образом, живые организмы существуют до тех пор, пока в них поступают энергия (солнечная или химическая) и питательные вещества извне.

Вопрос 2. Какие вещества обеспечивают процессы жизнедеятельности клетки энергией? Какие из них можно назвать универсальными источниками?

В качестве основного энергетического материала используются углеводы и жиры. Например, сложный углевод гликоген и жиры — это резервы «топлива» в клетке.

Вопрос 3. Почему эукариоты представляют собой открытые системы?

Потому что эукариоты, как и все живые организмы, имеющие клеточное строение, постоянно обмениваются веществом и энергией с окружающей средой.

Вопрос 4. Для чего клеткам нужна энергия? Откуда они её берут?

Энергия необходима клеткам дня синтеза сложных органических веществ и выполнения разных видов работы: движения, выведения продуктов обмена и т. д. Для её получения организмы разлагают и окисляют различные химические соединения — как правило, это органические вещества, получаемые с пищей.

Вопрос 5. Какие процессы называют энергетическим обменом, а какие — пластическим обменом?

Совокупность биохимических реакций разложения сложных веществ на более простые, сопровождающихся выделением энергии, а также запасанием её в форме химических связей универсального соединения — энергоносителя АТФ, получила название энергетического обмена (катаболизма, или диссимиляции).

Совокупность биохимических процессов, протекающих в живых организмах с затратой энергии, называют пластическим обменом (анаболизмом, или ассимиляцией).

Вопрос 6. Чем аэробы отличаются от анаэробов?

Аэробы использует кислород как окислитель, содержащийся в воздухе или воде. А анаэробам кислород не только не нужен, но даже вреден и для кого — то из них является смертельным ядом.

Вопрос 7. Можно ли окисление веществ в живом организме назвать горением? Почему?

Исходные и конечные продукты при окислении и горении одни и те же (в печке сгорает топливо, для организма топливом служит пища; и в организме и в печке углеродистые вещества сгорают, превращаясь в углекислоту и в воду). НО… Разница состоит в том, что в печке горение происходит при высокой температуре, а в живом организме — при низкой и значительно медленнее. Поэтому окисление проходит не так как горение, а это значит, что окисление веществ в живом организме назвать горением нельзя.

Вопрос 8. Прочитайте статью в рубрике «Это интересно», предложите схему, отражающую биологическое окисление в клетке.

Анаэробные условия.

Вопрос 9. Используя ключевые слова параграфа, постройте основу схемы (ментальной карты), показывающей суть обмена веществ в клетке.

Основное жизненное свойство клетки — обмен веществ. Из межклеточного вещества в клетки постоянно поступают питательные вещества и кислород и выделяются продукты распада. Вещества, поступившие в клетку, участвуют в процессах биосинтеза (пластического обмена) — это образование белков, жиров, углеводов и их соединений из более простых веществ. Одновременно с биосинтезом в клетках происходит распад органических соединений. Большинство реакций распада идет с участием кислорода и освобождением энергии. В результате обмена веществ состав клеток постоянно обновляется: одни вещества образуются, а другие разрушаются.

Тогда строится такая ментальная карта.

Или такая (более общая).

Вопрос 10. Установите соответствие между признаками обмена веществ у человека и его этапами.

2) Энергетический обмен

Ответ: 1). Б, Г, Д. 2). А, В, Е.

Вопрос 11. Обсудите в классе, возможны ли случаи переноса протонов водорода через плазматическую мембрану против градиента концентрации. Аргументируйте свой ответ.

Возможны. Так Н+ — АТФаза использует энергию, освобождающуюся при гидролизе АТФ для того, чтобы переносить через клеточную мембрану ионы водорода, против градиента концентрации. Это обстоятельство позволило рассматривать Н+ — АТФазу как активную транспортную систему, то есть своеобразную молекулярную машину.

Особая роль Н+ — АТФазы заключается в том, что, выкачивая протоны из клетки наружу, она не только поддерживает рН цитоплазмы близкий к нейтральному (что очень важно для протекания многих ферментативных процессов), но и создает на мембране разность потенциалов, во многом определяя электрические свойства высших растений.

Также, при клеточном дыхании (при окислительном фосфорелировании) «отбираемые» от НАДН электроны передаются в дыхательной цепи от переносчика к переносчику, теряя при этом свой восстановительный потенциал. Часть выделяемой при этом энергии рассеивается в виде тепла, но, кроме того, часть энергии тратится на создание на внутренней мембране митохондрий разности концентраций протонов (электрохимического потенциала) за счёт их переноса в нескольких пунктах дыхательной цепи (так называемых пунктах сопряжения) из матрикса в межмембранное пространство.

Эта разность концентраций протонов возникает в результате того, что перенос электронов от НАДН к кислороду сопровождается «перекачиванием» протонов из матрикса митохондрий в межмембранное пространство против градиента концентрации.

Вопрос 12. Почему молекулы НАД+ и ФАД называют универсальными акцепторами водорода?

Если АТФ — универсальный источник энергии, то кофакторы НАД+ и ФАД — универсальные акцепторы, а их восстановленные формы — НАДН и ФАДН2 — универсальные доноры восстановительных эквивалентов.

Входящий в состав остатка амида никотиновой кислоты атом азота четырехвалентен и несет положительный заряд (НАД+). Это азотистое основание легко присоединяет два электрона и один протон (т.е. восстанавливается) в тех реакциях, в которых при участии ферментов дегидрогеназ от субстрата отрываются два атома водорода (второй протон уходит в раствор). В обратных реакциях ферменты, окисляя НАДН или НАДФН, восстанавливают субстраты, присоединяя к ним атомы водорода (второй протон приходит из раствора).

ФАД — флавинадениндинуклеотид — производное витамина В2 (рибофлавина) также является кофактором дегидрогеназ, но ФАД присоединяет два протона и два электрона, восстанавливаясь до ФАДН2.