Сначала изучите: Строение клетки
Обмен веществ (метаболизм) — совокупность всех химических реакций в организме. Любая живая клетка постоянно получает вещества из внешней среды, преобразует их и выводит ненужные; прекращение обмена веществ означает прекращение жизни. Метаболизм состоит из двух взаимосвязанных процессов: синтеза веществ (энергия расходуется) и расщепления веществ (энергия выделяется). Универсальная энергетическая «валюта» клетки — АТФ. На экзамене очень часто встречаются этапы энергетического обмена, их место и продукты, а также расчёты АТФ, кислорода, CO₂ и энергии при расщеплении глюкозы.
Они связаны: диссимиляция даёт АТФ для синтеза, а ассимиляция создаёт вещества, которые расщепляются, и ферменты, управляющие процессом. В растущем организме преобладает ассимиляция, в старости и при голодании — диссимиляция.
АТФ ↔ АДФ + Ф: при расщеплении АТФ выделяется энергия (около 40 кДж/моль), при синтезе энергия поглощается.
По способу получения органических веществ организмы бывают:
По типу дыхания: аэробы (нужен кислород) и анаэробы (живут без кислорода: некоторые бактерии, дрожжи в бескислородных условиях).
Энергетический обмен у аэробов идёт в три этапа. Первый — подготовительный:
Второй этап — гликолиз — идёт в цитоплазме клетки без кислорода. Одна молекула глюкозы через многоступенчатые ферментативные реакции расщепляется до двух молекул пировиноградной кислоты (ПВК):
C₆H₁₂O₆ → 2C₃H₄O₃ (ПВК) + 2 АТФ
При этом выделяется около 200 кДж энергии: из них 2 × 40 = 80 кДж (около 40%) запасается в АТФ, остальные 120 кДж рассеиваются в виде тепла.
При недостатке кислорода ПВК не переходит на следующий этап, и происходит брожение:
Брожение энергетически малоэффективно — всего 2 АТФ на молекулу глюкозы. При тяжёлой физической работе в мышцах накапливается молочная кислота — одна из причин утомления и мышечной боли; при отдыхе молочная кислота с кровью поступает в печень и перерабатывается.
Третий этап идёт в митохондриях при участии кислорода. ПВК входит в митохондрию и в цикле Кребса (в матриксе) окисляется до CO₂, а отщеплённые атомы водорода (электроны) по дыхательной цепи внутренней мембраны (крист) передаются на кислород с образованием воды; при этом синтезируется много АТФ:
2C₃H₄O₃ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O + 36 АТФ
На этом этапе выделяется около 2600 кДж, в АТФ запасается 36 × 40 = 1440 кДж.
Суммарное уравнение полного окисления глюкозы:
C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O + 38 АТФ
Всего выделяется около 2800 кДж, в АТФ запасается 38 × 40 = 1520 кДж (около 55%). Кислородное дыхание в 38 / 2 = 19 раз эффективнее брожения — поэтому аэробные организмы могут вести более активную жизнь.
Правила для расчётов:
Человек тратит энергию даже в покое — это основной обмен (работа сердца, дыхание, поддержание температуры тела, процессы в клетках). При умственном и особенно физическом труде расход растёт. Энергетическая ценность пищи должна соответствовать расходу: избыток пищи ведёт к ожирению, недостаток — к истощению и склонности к болезням.
Обмен веществ регулируется нервной системой и гормонами: например, инсулин переводит глюкозу крови в клетки и запасает её в печени в виде гликогена; адреналин и глюкагон расщепляют гликоген и выпускают глюкозу в кровь; гормон щитовидной железы тироксин повышает общую скорость обмена. В задачах различайте «увеличилось на 30%» и «увеличилось в 3 раза»: рост на 30% — × 1,3, рост в 3 раза — × 3.
В мышце 5 моль глюкозы расщепились полностью, 3 моль — неполностью (до молочной кислоты). Сколько моль АТФ образовалось, сколько моль O₂ израсходовано и CO₂ выделилось?
В клетке при полном окислении образовалось 3800 АТФ, ещё 50 молекул глюкозы расщепились только до гликолиза. Сколько всего израсходовано глюкозы и сколько всего АТФ?
В покое человек тратит около 300 кДж в час. При умственном труде расход увеличивается на 30%, при занятиях спортом — в 3 раза. Сколько энергии нужно на 2 часа умственного труда и 1 час спорта?