Обмен веществ и превращение энергии. Особенности энергетического обмена

Рост, развитие, умственная и физическая деятельность возможны благодаря обмену веществ и энергии в клетке. Преобразование веществ в энергию является главным условием живых организмов, начиная одноклеточными растениями и заканчивая человеком.

Анаболизм и катаболизм

Обмен веществ или метаболизм - совокупность сложных химических реакций, происходящих в каждой клетке живого организма. Основное свойство обмена веществ и энергии - обеспечение взаимодействия внешней среды с организмом для поддержания жизни и нормального функционирования тканей и органов. Все жизненно необходимые вещества (вода, кислород, органические соединения) поступают из внешней среды. Без их доступа обмен веществ нарушается или прекращается, что приводит к гибели живого организма.

Метаболизм включает два тесно взаимосвязанных противоположных процесса:

• катаболизм или диссимиляция;
• анаболизм или ассимиляция.

Катаболизм или энергетический обмен - процесс распада сложных веществ (сахаров, жиров) на более простые. В результате образуется энергия в виде молекулы АТФ (аденозинтрифосфорная кислота или аденозинтрифосфат), которая является универсальным источником энергии. Часть образованных молекул АТФ участвует в синтезе различных веществ, часть - рассеивается в виде тепла.

Рис. 1. Формула АТФ.

Примеры катаболизма:

ТОП-4 статьи которые читают вместе с этой

• расщепление этанола;
• гликолиз - превращение глюкозы в кислоту, а затем - в воду и углекислый газ;
• внутриклеточное дыхание (окисление).

Анаболизм или пластический обмен включает сложные химические реакции, в результате которых образуются высокомолекулярные вещества, необходимые для постройки и обновления организма (белки, жиры, углеводы). Для проведения таких реакций нужна энергия, т.е. анаболизм происходит с участием АТФ.

Анаболизм можно наблюдать в виде:

• роста волос и ногтей;
• образование мышц;
• заживление ран, срастание костей и т.д.

Фотосинтез является анаболизмом, но вместо АТФ используется энергия солнечных лучей.

Рис. 2. Процесс фотосинтеза в клетке.

В результате катаболизма (распада) образуются простые вещества, которые могут соединяться при анаболизме (постройке) и вновь разрушаться при катаболизме с высвобождением АТФ. Хорошим примером являются жиры, которые образуются при ассимиляции, откладываются в тканях и расщепляются для получения энергии. Соотношение образованной и потраченной энергии называется энергетическим балансом. Анаболизм и катаболизм должны происходить параллельно без преобладания одного из процессов.

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.

Тест по теме

Оценка доклада

Средняя оценка: 4.7 . Всего получено оценок: 140.

Вопрос 1. Что такое диссимиляция? Перечислите ее этапы.
Диссимиляция , или энергетический обмен , - это совокупность реакций расщепления высокомолекулярных соединений, которые сопровождаются выделением и запасанием энергии. Диссимиляция у аэробных (кислорододышащих) организмов происходит в три этапа:
подготовительный - расщепление высокомолекулярных соединений до низкомолекулярных без запасания энергии;
бескислородный - частичное бескислородное расщепление соединений, энергия запасается в виде АТФ; кислородный - окончательное расщепление органических веществ до углекислого газа и воды, энергия также запасается в виде АТФ.
Диссимиляция у анаэробных (не использующих кислород) организмов происходит в два этапа: подготовительный и бескислородный. В данном случае органические вещества расщепляются не полностью и энергии запасается гораздо меньше.

Вопрос 2. В чем заключается роль АТФ в обмене веществ в клетке?
Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) состоит из азотистого основания - аденина, сахара - рибозы и трех остатков фосфорной кислоты. Молекула АТФ очень неустойчива и способна отщеплять одну или две молекулы фосфата с выделением большого количества энергии, расходуемой на обеспечение всех жизненных функций клетки (биосинтез, трансмембранный перенос, движение, образование электрического импульса и др.). Связи в молекуле АТФ называют макроэргическими.
Отщепление концевого фосфата от молекулы АТФ сопровождается выделением 40 кДж энергии.). При этом АТФ превращается в АДФ. Если произойдет отщепление второго остатка фофорной кислоты, АДФ превратится в АМФ. Все процессы в живых организмах, требующие затрат энергии, сопровождаются превращением молекул АТФ в АДФ (или даже в АМФ).
Синтез АТФ происходит в митохондриях.

Вопрос 3. Какие структуры клетки осуществляют синтез АТФ?
В эукариотических клетках синтез основной массы АТФ из АДФ и фосфорной кислоты происходит в митохондриях и сопровождается поглощением (запасанием) энергии. В пластидах АТФ образуется как промежуточный продукт световой стадии фотосинтеза.

Вопрос 4. Расскажите об энергетическом обмене в клетке на примере расщепления глюкозы.
Энергетический обмен обычно подразделяют на три этапа. Первый этап - Подготовительный, называемый также пищеварением. Осуществляется он главным образом вне клеток под действием ферментов, секретируемых в полость пищеварительного тракта. На этом этапе крупные молекулы полимеров распадаются на мономеры: белки - на аминокислоты, полисахариды - на простые сахара, жиры - на жирные кислоты и глицерин. При этом выделяется небольшое количество энергии, которая рассеивается и виде теплоты.
Бескислородный. В результате гликолиза одна молекула глюкозы расщепляется до двух молекул пировиноградной кислоты:
С 6 Н 12 О 6 <-----> 2С 3 Н 4 0 3 .
Распад одной молекулы глюкозы сопровождается образованием двух молекул АТФ. При этом 60% выделившейся энергии превращается в тепло, а 40% запасается в виде АТФ. При распаде одной молекулы глюкозы образуется 2 молекулы АТФ. Затем у анаэробных организмов происходит брожение - спиртовое (С 2 НС 5 ОН - этиловый спирт) или молочнокислое (С 3 Н 4 0 3 - молочная кислота). У аэробных организмов наступает третий этап энергетического обмена.
Кислородный. Этот этап катаболизма нуждается в присутствии молекулярного кислорода и называется дыханием. Развитие клеточного дыхания у аэробных микроорганизмов и в клетках эукариот стало возможным лишь после того, как в результате фотосинтеза в атмосфере Земли появился молекулярный кислород. Добавление к каталическому процессу стадии, осуществляющейся в присутствии кислорода, обеспечивает клетки мощным и эффективным путем извлечения из молекул питательных веществ и энергии.
Реакции кислородного расщепления, или окислительного катаболизма, протекают в специальных органоидах клетки - митохондриях, куда поступают молекулы пировиноградной кислоты. После целого ряда прекращений образуются конечные продукты - СО 2 и Н 2 О, которые затем диффундируют из клетки. Суммарное уравнение аэробного дыхания выглядит так:
С 6 Н 12 О 6 + 6О 2 + 36Н 3 РО 4 + 36АДФ <-----> 6СО 2 + 6Н 2 О + 36АТФ.
Таким образом, при окислении двух молекул молочной кислоты образуются 36 молекул АТФ. Всего в ходе второго и третьего этапов энергетического обмена при расщеплении одной молекулы глюкозы образуются 38 молекул АТФ. Следовательно, основную роль в обеспечении клетки энергией играет аэробное дыхание.

1. Дайте определения понятий.
Метаболизм – набор химических реакций, которые возникают в живом организме для поддержания жизни.
Энергетический обмен – процесс метаболического распада, разложения на более простые вещества или окисления какого-либо вещества, обычно протекающий с высвобождением энергии в виде тепла и в виде АТФ.
Пластический обмен – совокупность всех процессов биосинтеза, протекающих в живых организмах.

2. Заполните таблицу.

3. Изобразите схематично молекулу АТФ. Обозначьте ее части. Укажите расположение макроэргических связей. Напишите полное название этой молекулы.
АТФ – аденозинтрифосфорная кислота

4. К какому классу органических веществ относится АТФ? Почему вы сделали такой вывод?
Нуклеотид, так как состоит из аденина, рибозы и трех остатков фосфорной кислоты.

5. Пользуясь материалом § 3.2, заполните таблицу.

6. Какова биологическая роль ступенчатого характера энергетического обмена?
Постепенное выделение энергии, идущее в ходе энергетического обмена, позволяет более рационально использовать и запасать энергию. При разовом выделении такого числа энергии большая ее часть просто не успела бы соединиться с АДФ и выделилась бы как тепло, что означает большие потери для организма.

7. Объясните, почему кислород необходим большинству современных организмов. В результате какого процесса в клетках образуется углекислый газ?
Кислород необходим для дыхания. При наличии кислорода органические вещества при дыхании полностью окисляются до углекислого газа и воды.

8. Как повлияло накопление в атмосфере Земли кислорода на степень интенсивности процессов жизнедеятельности обитателей нашей планеты?
Кислород оказывает глубокое влияние на организм в целом, повышая общую энергию жизнедеятельности обитателей нашей планеты. Возникли и эволюционировали новые организмы.

9. Вставьте пропущенные слова.
Реакции пластического обмена идут с поглощением энергии.
Реакции энергетического обмена идут с выделением энергии.
Подготовительный этап энергетического обмена осуществляется в ЖКТ и лизосомах
клетки.
Гликолиз протекает в цитоплазме.
Во время подготовительного этапа белки под действием пищеварительных ферментов превращаются в аминокислоты.

10. Выберите правильный ответ.
Тест 1.
Какая из аббревиатур обозначает носителя энергии в живой клетке?
3) АТФ;

Тест 2.
На подготовительном этапе энергетического обмена белки распадаются до:
2) аминокислот;

Тест 3.
В результате бескислородного окисления в клетках животных при недостатке кислорода образуется:
3) молочная кислота;

Тест 4.
Энергия, которая выделяется в реакциях подготовительного этапа энергетического обмена:
2) рассеивается в виде тепла;

Тест 5.
Гликолиз обеспечивают ферменты:
3) цитоплазмы;

Тест 6.
При полном окислении четырех молекул глюкозы образуется:
4) 152 молекулы АТФ.

Тест 7.
Для наиболее быстрого восстановления работоспособности при усталости в период подготовки к экзамену лучше всего съесть:
3) кусок сахара;

11. Составьте синквейн к термину «метаболизм».
Метаболизм
Пластический и энергетический.
Синтезирует, разрушает, превращает.
Набор химических реакций в живом организме для поддержания жизни.
Обмен веществ.

12. Скорость обмена веществ непостоянна. Укажите некоторые внешние и внутренние причины, которые, по вашему мнению, способны изменять скорость обмена веществ.
Внешние – температура окружающей среды, физические нагрузки, масса тела.
Внутренние – уровень гормонов в крови, состояние нервной системы (угнетение или возбуждение).

13. Вы знаете, что существуют аэробные и анаэробные организмы. А кто такие факультативные анаэробы?
Это организмы, энергетические циклы которых проходят по анаэробному пути, но способные существовать при доступе кислорода, в отличие от облигатных анаэробов, для которых кислород губителен.

14. Объясните происхождение и общее значение слова (термина), опираясь на значение корней, его составляющих.

15. Выберите термин и объясните, насколько его современное значение соответствует первоначальному значению его корней.
Выбранный термин – гликолиз.
Соответствие: термин соответствует, но дополнен. Современное определение гликолиза, это не просто «расщепление сладкого», а процесс окисления глюкозы, при котором из одной ее молекулы образуются две молекулы ПВК, осуществляемый последовательно за несколько ферментативных реакций и сопровождающийся запасанием энергии в форме АТФ и NADH.

16. Сформулируйте и запишите основные идеи § 3.2.
Для любого организма характерен обмен веществ – набор хим. реакций для поддержания жизни. Энергетический обмен – процесс разложения на более простые вещества, протекающий с высвобождением энергии в виде тепла и в виде АТФ. Пластический обмен – совокупность всех процессов биосинтеза, протекающих в живых организмах.
Молекула АТФ – универсальный поставщик энергии в клетках.
Энергетический обмен протекает в 3 стадии: подготовительный этап (образуется глюкоза и тепло), гликолиз (образуется ПВК, 2 молекулы АТФ и тепло) и кислородный, или клеточное дыхание, (образуется 36 молекул АТФ и углекислый газ).

Обмен веществ и энергии (метаболизм) осуществляется на всех уровнях организма: клеточном, тканевом и организменном. Он обеспечивает постоянство внутренней среды организма - гомеостаз - в непрерывно меняющихся условиях существования. В клетке протекают одновременно два процесса - это пластический обмен (анаболизм или ассимиляция) и энергетический обмен (фатаболизм или диссимиляция).

Пластический обмен - это совокупность реакций биосинтеза, или создание сложных молекул из простых. В клетке постоянно синтезируются белки из аминокислот, жиры из глицерина и жирных кислот, углеводы из моносахаридов, нуклеотиды из азотистых оснований и сахаров. Эти реакции идут с затратами энергии. Используемая энергия освобождается в ходе энергитического обмена. Энергетический обмен - это совокупность реакций расщепления сложных органических соединений до более простых молекул. Часть энергии, высвобождаемой при этом, идет на синтез богатых энергетическими связями молекул АТФ (аденозин-трифосфорной кислоты). Расщепление органических веществ осуществляется в цитоплазме и митохондриях с участием кислорода. Реакции ассимиляции и диссимиляции тесно связаны между собой и внешней средой. Из внешней среды организм получает питательные вещества. Во внешнюю среду выделяются отработанные вещества.

Ферменты (энзимы) - это специфические белки, биологические катализаторы, ускоряющие реакции обмена в клетке. Все процессы в живом организме прямо или косвенно осуществляются с участием ферментов. Фермент катализирует только одну реакцию или действует только на один тип связи. Этим обеспечивается тонкая регуляция всех жизненно важных процессов (дыхание, пищеварение, фотосинтез и т.д.), протекающих в клетке или организме. В молекуле каждого фермента имеется участок, осуществляющий контакт между молекулами фермента и специфического вещества (субстрата). Активным центром фермента выступает функциональная группа (например, ОН - группа серина) или отдельная аминокислота.

Скорость ферментативных реакций зависит от многих факторов: температуры, давления, кислотности среды, наличия ингибиторов и т.д.

Этапы энергетического обмена:

• Подготовительный - происходит в цитоплазме клеток. Под действием ферментов полисахариды расщепляются на моносахариды (глюкоза, фруктоза и Др.), жиры расщепляются до глицерина и жирных кислот, белки - до аминокислот, нуклеиновые кислоты до нуклеотидов. При этом выделяется небольшое количество энергии, которое рассеивается в виде тепла.
• Бескислородный (анаэробное дыхание или гликолиз) - многоступенчатое расщепление глюкозы без участия кислорода. Его называют брожением. В мышцах в результате анаэробного дыхания молекула глюкозы распадается на две молекулы лировиноградной кислоты (С 3 Н 4 О 3), которые затем восстанавливаются в молочную кислоту (С 3 Н 6 О 3). В реакциях расщепления глюкозы участвуют фосфорная кислота и АДФ.

  Суммарное уравнение этого этапа: С 6 Н 12 О 6 + 2Н 3 РО 4 + 2АDФ -> 2С 3 Н 6 О 3 + 2АТФ + 2Н 2 О

  У дрожжевых грибков молекула глюкозы без участия кислорода превращается в этиловый спирт и диоксид углерода (спиртовое брожение). У других микроорганизмов гликолиз может завершаться образованием ацетона, уксусной кислоты и др. При распаде одной молекулы глюкозы образуется две молекулы АТФ, в связях которой сохраняется 40% энергии, остальная энергия рассеивается в виде тепла.

• Кислородное дыхание - этап аэробного дыхания или кислородного, расщепления, который проходит на складках внутренней мембраны митоходрий - кристах. На этом этапе вещества предыдущего этапа расщепляются до конечных продуктов распада - воды и углекислого газа. В результате расщепления двух молекул молочной кислоты образуются 36 молекул АТФ. Основное условие нормального течения кислородного расщепления - целостность митохондриальных мембран. Кислородное дыхание - основной этап в обеспечении клетки кислородом. Он в 20 раз эффективнее бескислородного этапа.

  Суммарное уравнение кислородного расщепления: 2С 3 Н 6 0 3 + 60 2 + 36H 3 PО 4 + 36АДФ -> 6CO 2 + 38Н 2 О + 36АТФ

По способу получения энергии все организмы делятся на две группу - автотрофные и гетеротрофные.

Энергетический обмен в аэробных клетках растений, грибов и животных протекает одинаково. Это свидетельствует об их родстве. Количество митохондрий в клетках тканей различно, оно зависит от функциональной активности кйеток. Например, много митохондрий в клетках мышц.

Расщепление жиров на глицерин и жирные кислоты осуществляется ферментами - липазами. Белки вначале расщепляются до олигопептидов, а затем до аминокислот.

Ферменты (от лат. «fermentum» - брожение, закваска), энзимы, специфические белки, увеличивающие скорость протекания химических реакций в клетках всех живых организмов. По химической природе - белки, обладающие оптимальной активностью при определенном рН, наличии необходимых коферментов и кофакторов и отсутствии ингибиторов. Ферменты называют также биокатализаторами по аналогии с катализаторами в химии. Каждый вид ферментов катализирует превращение определенных веществ (субстратов), иногда лишь единственного вещества в единственном направлении. Поэтому многочисленные биохимические реакции в клетках осуществляет огромное число различных ферментов. Подразделяются на 6 классов: оксидоредуктазы, трансферазы, гидролазы, лиазы, изомеразы и лигазы. Многие ферменты выделены из живых клеток и получены в кристаллическом виде (впервые в 1926).

Роль ферментов в организме

Ферменты участвуют в осуществлении всех процессов обмена веществ, в реализации генетической информации. Переваривание и усвоение пищевых веществ, синтез и распад белков, нуклеиновых кислот, жиров, углеводов и других соединений в клетках и тканях всех организмов - все эти процессы невозможны без участия ферментов. Любое проявление функций живого организма - дыхание, мышечное сокращение, нервно-психическая деятельность, размножение и др. - обеспечивается действием ферментов. Индивидуальные особенности клеток, выполняющих определенные функции, в значителной мере определяются уникальным набором ферментов, производство которых генетически запрограммировано. Отсутствие даже одного фермента или какой-нибудь его дефект могут привести к серьезным отрицательным последствиям для организма.

Каталитические свойства ферментов

Ферменты - самые активные среди всех известных катализаторов. Большинство реакций в клетке протекает в миллионы и миллиарды раз быстрее, чем если бы они протекали в отсутствие ферментов. Так, одна молекула фермента каталазы способна за секунду превратить в воду и кислород до 10 тыс. молекул токсичной для клеток перекиси водорода, образующейся при окислении различных соединений. Каталитические свойства ферментов обусловлены их способностью существенно уменьшать энергию активации вступающих в реакцию соединений, то есть в присутствии ферментов требуется меньше энергии для «запуска» данной реакции.

История открытия ферментов

Процессы, протекающие при участии ферментов, известны человеку с глубокой древности, ведь в основе приготовления хлеба, сыра, вина и уксуса лежат ферментативные процессы. Но только в 1833 году впервые из прорастающих зерен ячменя было выделено активное вещество, осуществляющее превращение крахмала в сахар и получившее название диастазы (ныне этот фермент называется амилазой). В конце 19 в. было доказано, что сок, получаемый при растирании дрожжевых клеток, содержит сложную смесь ферментов, обеспечивающих процесс спиртового брожения. С этого времени началось интенсивное изучение ферментов - их строения и механизма действия. Так как роль биокатализа была выявлена при изучении брожения, то именно с этим процессом были связаны два установившихся еще с 19 в. названия - «энзим» (в переводе с греч. «из дрожжей») и «фермент». Правда, последний синоним применяется только в русскоязычной литературе, хотя научное направление, занятое изучением ферментов и процессов с их участием, традиционно называется энзимологией. В первой половине 20 в. было установлено, что по химической природе ферменты yвляются белками, а во второй половине века для многих сотен ферментов уже была определена последовательность аминокислотных остатков, установлена пространственная структура. В 1969 впервые был осуществлен химический синтез фермента рибонуклеазы. Огромные успехи были достигнуты в понимании механизма действия ферментов.

Местонахождение ферментов в организме

В клетке часть ферментов находится в цитоплазме, но в основном ферменты связаны с определенными клеточными структурами, где и проявляют свое действие. В ядре, например, находятся ферменты, ответственные за репликацию - синтез ДНК(ДНК-полимеразы), за ее транскрипцию - образование РНК (РНК-полимеразы). В митохондриях присутствуютферменты, ответственные за накопление энергии, в лизосомах - большинство гидролитических ферментов, участвующих в распаде нуклеиновых кислот и белков.

Условия действия ферментов

Все реакции с участием ферментов протекают, в основном, в нейтральной, слабощелочной или слабокислой среде. Однако максимальная активность каждого отдельного фермента проявляется при строго определенных значениях pH. Для действия большинства ферментов теплокровных животных наиболее благоприятной температурой является 37-40oС. У растений при температуре ниже 0o С действие ферментов полностью не прекращается, хотя жизнедеятельность растений при этом резко снижается. Ферментативные процессы, как правило, не могут протекать при температуре выше 70o С, так как ферменты, как и всякие белки подвержены тепловой денатурации (разрушению структуры).

Размеры ферментов и их строение

Молекулярная масса ферментов, как и всех остальных белков, лежит в пределах 10 тыс. - 1 млн. (но может быть и больше). Они могут состоять из одной или нескольких полипептидных цепей и могут быть представлены сложными белками. В состав последних наряду с белковым компонентом (апоферментом) входят низкомолекулярные соединения - коферменты (кофакторы, коэнзимы), в том числе ионы металлов, нуклеотиды, витамины и их производные. Некоторые ферменты образуются в форме неактивных предшественников (проферментов) и становятся активными после тех или иных изменений в структуре молекулы, например, после отщепления от нее небольшого фрагмента. К их числу относятся пищеварительные ферменты трипсин и химотрипсин, которые синтезируются клетками поджелудочной железы в форме неактивных предшественников (трипсиногена и химотрипсиногена) и обретают активность в тонком кишечнике в составе поджелудочного сока. Многие ферменты образуют так называемые ферментные комплексы. Такие комплексы, например, встроены в мембраны клеток или клеточных органелл и участвуют в транспорте веществ.

Подвергающееся превращению вещество (субстрат) связывается с определенным участком фермента, aго активным центром, который формируется боковыми цепями аминокислот, находящимися часто в значительно удаленных друг от друга участках полипептидной цепи. Например, активный центр молекулы химотрипсина образуют остатки гистидина, находящегося в полипептидной цепи в положении 57, серина в положении 195 и аспарагиновой кислоты в положении 102 (всего в молекуле химотрипсина 245 аминокислот). Таким образом, сложная укладка полипептидной цепи в молекуле белка - ферменте обеспечивает возможность нескольким боковым цепям аминокислот оказаться в строго определенном месте и на определенном расстоянии друг от друга. Коферменты также входят в состав активного центра (белковая часть и небелковый компонент в отдельности ферментативной активностью не обладают и приобретают свойства фермента, лишь соединившись вместе).

Протекание процессов с участием ферментов

Большинство ферментов отличается высокой специфичностью (избирательностью) действия, когда превращение каждого реагирующего вещества (субстрата) в продукт реакции осуществляется специальным ферментом. При этом действие фермента может быть строго ограничено одним субстратом. Например, фермент уреаза, участвующий в распаде мочевины до аммиака и углекислого газа, не реагирует на сходную по строению метилмочевину. Многие ферменты aействуют на несколько родственных по структуре соединений или на один тип химической связи (например, расщепляющие фосфодиэфирную связь фермент фосфатазы). Фермент осуществляет свое действие через образование фермент-субстративного комплекса, который затем распадается с образованием продуктов ферментативной реакции и освобождением фермента. A результате образования фермент-субстратного комплекса субстрат изменяет свою конфигурацию; при этом преобразуемая фермент-химическая связь ослабляется и реакция протекает с меньшей начальной затратой энергии и, следовательно, с намного большей скоростью. Мерой скорости ферментативной реакции служит количество субстрата, подвергшегося превращению в единицу времени, или количество образовавшегося продукта. Многие ферментативные реакции в зависимости от концентрации в среде субстрата и продукта реакции могут протекать как в прямом, так и в обратном направлении (избыток субстрата сдвигает реакцию в сторону образования продукта, в то время как при чрезмерном накоплении последнего будет происходить синтез субстрата). Это означает, что ферментативные реакции могут быть обратимыми. Например, карбоангидраза крови превращает поступающий из тканей углекислый газ в угольную кислоту (H2CO3), а в легких, напротив, катализирует превращение угольной кислоты в воду и углекислый газ, который удаляется при выдохе. Однако следует помнить, что ферменты, как и другие катализаторы, не могут сдвигать термодинамическое равновесие химической реакции, а лишь значительно ускоряют достижение этого равновесия.

Номенклатура названий ферментов

При наименовании фермента cа основу берут название субстрата и добавляют суффикс «аза». Так появились, в частности, протеиназы - ферменты, расщепляющие белки (протеины), липазы (расщепляют липиды, или жиры) и т. д. Некоторые ферменты получили специальные (тривиальные) названия, например, пищеварительные ферменты- пепсин, химотрипсин и трипсин.

В клетках организма протекает несколько тысяч различных реакций обмена веществ и, следовательно, имеется столько же ферментов. Aля того, чтобы привести такое многообразие в систему, было принято международное соглашение о классификации ферментов. A соответствии с этой системой все ферменты a зависимости от типа катализируемых ими реакций были поделены на шесть основных классов, каждый из которых включает ряд подклассов. Кроме того, каждый фермент получил четырехзначный кодовый номер (шифр) и название, указывающее на реакцию, которую yтот фермент катализирует. Ферменты, катализирующие одну и ту же реакцию у организмов разных видов, могут существенно различаться между собой по своей белковой структуре, но в номенклатуре имеют общее название и один кодовый номер.

Болезни, связанные с нарушением выработки ферментов

Отсутствие или снижение активности какого-либо фермента (нередко и избыточная активность) у человека приводит к развитию заболеваний (энзимопатий) или гибели организма. Так, передаваемое по наследству заболевание детей - галактоземия (приводит к умственной отсталости) - развивается вследствие нарушения синтеза фермента, ответственного за превращение галактозы в легко усваиваемую глюкозу. Причиной другого наследственного заболевания - фенилкетонурии, сопровождающегося расстройством психической деятельности, является потеря клетками печени способности синтезировать фермент, катализирующий превращение аминокислоты фенилаланина в тирозин. Определение активности многих ферментов a крови, моче, спинно-мозговой, семенной и других жидкостях организма используется для диагностики ряда заболеваний. С помощью такого анализа сыворотки крови возможно обнаружение на ранней стадии инфаркта миокарда, вирусного гепатита, панкреатита, нефрита и других заболеваний.

Использование ферментов человеком

Так как ферменты сохраняют свои свойства и вне организма, их успешно используют в различных отраслях промышленности. Например, протеолитический фермент папайи (из сока папайи) - в пивоварении, для мягчения мяса; пепсин - при производстве «готовых» каш и как лекарственный препарат; трипсин - при производстве продуктов для детского питания; реннин (сычужный фермент из желудка теленка) - в сыроварении. Каталаза широко применяется в пищевой и резиновой промышленности, а расщепляющие полисахариды целлюлазы и пектидазы - для осветления фруктовых соков. Ферменты необходимы при установлении структуры белков, нуклеиновых кислот и полисахаридов, в генетической инженерии и т. д. С помощью ферментов получают лекарственные препараты и сложные химические соединения.

Обнаружена способность некоторых форм рибонуклеиновых кислот (рибозимов) катализировать отдельные реакции, то есть выступать в качестве ферментов. Возможно, в ходе эволюции органического мира рибозимы служили биокатализаторами до того, как ферментативная функция перешла к белкам, более приспособленным к выполнению этой задачи.

Скачать:

Предварительный просмотр:

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ САРАТОВСКОЙ ОБЛАСТИ

Государственное автономное профессиональное образовательное учреждение Саратовской области

«Балашовский техникум механизации сельского хозяйства»

Методическая разработка бинарного занятия

по дисциплинам «Биология» и «Химия» на тему:

«Обмен веществ и превращение энергии в клетке»

Подготовили:

Курсакова С.Н.

Гречишкина И.Н.

Балашов 2015 г.

1.Предисловие

2.Основная часть

3.Заключение

4.Литература

1.Предисловие

Обмен веществ – это основа жизнедеятельности клетки. Знания процессов обмена веществ в клетке позволяют понять, как происходит круговорот веществ в природе, каким образом накапливается растительная биомасса, которая является основой питания для гетеротрофных организмов, решать проблемы связанные с обеспечением продуктами питания большей части населения планеты.

Все живые организмы представляют собой открытые системы, способные активно организовать поступления энергии и вещества извне.

Энергия необходима для осуществления жизненно важных процессов, но прежде всего для химического синтеза вещества, используемых для построения и восстановления структур клетки и организма.

Сегодня на уроке мы рассмотрим процессы обмена веществ, органические и неорганические вещества, входящие в состав пищевых продуктов, а также рассмотрим проблему обеспечения продуктами питания населения планеты.

2.Основная часть

Учебно-методическая карта занятия

Тема занятия: «Обмен веществ и превращение энергии в клетке»

Вид занятия: бинарный урок.

Цели занятия:

Учебная: изучить виды обмена веществ в клетке, сформировать понятия жиров, белков, углеводов, показать связь калорийности продуктов с расходом внутренней энергии.

Развивающая: Совершенствовать умение анализировать причинно-следственные связи при объяснении сущности природных явлений.

Воспитательная: показать как человек познавая законы природы, заставляет их работать на благо людей.

Наглядные пособия:

Стенд «Фотосинтез»

Плакат «Преобразование энергии АТФ»

Плакат «Строение молекулы белка».

Слайды.

Набор реактивов

Раздаточный материал: упаковки пищевых продуктов с обозначением калорийности продуктов.

Ход занятия

2. Выявление степени готовности студентов к занятию.

3. Мотивация познавательной деятельности студентов

4. Запись темы и плана занятия

План

2).Вещества входящие в состав пищевых продуктов.

5.. Объяснение нового материала (метод: объяснительно-иллюстративный)

6.Закрепление изученного материала.

7. Задание на дом

8. Заключительная часть

1.Организационный момент (приветствие, отметка отсутствующих, проверка готовности студентов к занятию)

1)Выявление степени готовности студентов к занятию.

Метод тестирование (см. Приложение№)

3.Мотивация познавательной деятельности.

Сегодня мы проводим необычный урок, который называется бинарным. Все дисциплины имеют связь между собой и многие темы взаимно дополняют друг друга

4.Запись темы и плана занятия

План

1).Пластический и энергетический обмен веществ в клетке

2).Вещества, входящие в состав пищевых продуктов.

3). Проблема обеспечения населения продуктами питания

5. Объяснение нового материала (метод: объяснительно-иллюстративный)

Вопрос №1 «Пластический и энергетический обмен веществ в клетке»

На предыдущих занятиях мы рассмотрели структуру клетки, познакомились с функциями органоидов клетки, отмечали, что в клетке находятся как органические, так и неорганические соединения.

Сегодня мы изучим, каким образом происходит обмен веществ в клетке, рассмотрим свойства органических и неорганических веществ.

Обмен веществ – это основа жизнедеятельности клетки. Знания процессов обмена веществ в клетке позволяют понять, как происходит круговорот веществ в природе, каким образом накапливается растительная биомасса, которая является основой питания для гетеротрофных организмов, решать проблемы связанные с обеспечением продуктами питания большей части населения планеты.

Все живые организмы представляют собой открытые системы, способные активно организовать поступления энергии и вещества извне.

Энергия необходима для осуществления жизненно важных процессов, но прежде всего для химического синтеза вещества, используемых для построения и восстановления структур клетки и организма.

Сейчас мы посмотрим с вами фильм «пластический и энергетический обмен» Обратите внимание, как образуются сложные органические вещества, и что происходит при расщеплении данных соединений (Просмотр диафильма).

Мы с вами познакомились с двумя видами обмена веществ. Рассмотрим их более подробно.

Запишете: «Пластический обмен»

Определение: реакция синтеза осуществляющийся с потреблением энергии, составляют основу пластического обмена (или ассимиляции).

Существуют различные формы пластического обмена: биосинтез белков, хемосинтез, фотосинтез.

Некоторые формы пластического обмена характерны только для автотрофных организмов, а некоторые и для автотрофных и гетеротрофных.

Давайте повторим какие организмы мы называем автотрофными (ответ ребят), а какие гетеротрофными (ответ ребят).вот такая форма пластического обмена как фотосинтез. Характерна для гетеротрофных или автотрофных организмов? (ответ ребят)

Рассмотрим как происходит фотосинтез.

К стенду . Фотосинтез состоит из двух фаз световой и темновой.

Графопроектор . В световой фазе квант света действует на электроны воды и подвергает её фоторазложению

Н 2 О  Н + +(ОН) -

Ионы гидроксила отдают свои электроны другим молекулам, и превращается в свободный радикал.

(ОН) -  ОН

Ионы гидроксила ОН взаимодействуют друг с другом в результате чего образуется вода и кислород:

4ОН  2Н 2 О+О 2

Энергия света используется для синтеза АТФ, АДФ и фосфата.

То есть накапливается энергия, которая необходима в темновой фазе.

В темновой фазе протекает ряд реакций, в которых участвуют молекулы АТФ и атомы Н

6СО 2 +24Н  С 6 Н 12 О 6 + 6Н 2 О

Молекулы глюкозы соединяются между собой и образуют крахмал, который откладывается в виде запасов.

Так энергия солнечного света преобразуется в энергия химических связей сложных органических соединений.

Запишете, какие процессы происходят в световой и темновой фазе.

А теперь рассмотрим энергетический обмен. Запишите: «Энергетический обмен»

Определение: реакции расщепления сопровождающаяся высвобождением энергии составляют основу энергетического обмена или диссимиляции.

Энергетический этап проходит в три этапа. Конечным результатом является окисление органических веществ при окислении глюкозы выделяется большое количество энергии

С 6 Н 12 О 6 +6О 2  6Н 2 О+6СО 2 +АТФ

Часть энергии освобождаемой из питательных веществ рассеивается в форме теплоты, а часть аккумулируется в богатых энергиях молекулах АТФ.

Плакат .

АТФ состоит из азотистого основания аденина, углерода рибозы и трех остатков фосфорной кислоты.

Именно АТФ обеспечивает энергией все виды клеточных функции: биосинтез, механическую работу. При этом АТФ теряет фосфорный остаток и превращается в АДФ. АТФ обновляется чрезвычайно быстро, у человека продолжительность жизни одной молекулы АТФ менее одной минуты.

А теперь рассмотрим, как преобразуется энергия пищевых продуктов в организме человека.

Если у растений источником энергии является солнечный свет, то единственным источником энергии для организма является пища.

Процесс потребления энергии и вещества называется питанием.

Энергию, поставляемую организмом с продуктами питания принято выдавать в килокалориях.

Количество энергии, выделяемой при усвоение организмом того или иного пищевого продукта называется калорийностью этого продукта.

Перед вами образцы упаковок продуктов питания. На каждом мы видем, проставлены калорийность данного продукта.

Калорийность измеряется в калориях

1 калорий – 4,19 Дж

1 килокалорий – 1000 калорий

Человек активно расходует энергию в процессе жизнедеятельности

Занятия – 6000 Дж

Зарядка – 16000 Дж

Ходьба – 15000 Дж

Плаванье – 30000 Дж

Эту энергию мы восполняем с пищей.

Продукты питания содержат органические вещества:

Жиры, белки, углеводы. При расщеплении этих веществ выделяется большое количество энергии.

Для организма важно, какие группы веществ обеспечивают калорийность питания. Для нормальной жизнедеятельности человека необходимо определенной соотношение органических и неорганических веществ.

О строение этих веществ расскажет преподаватель химии.

Вопрос №2 «Вещества входящие в состав пищевых продуктов»

Растительные и животные клетки, обладают строения, сходит и по химическому составу. В клетках обнаружено около 90 элементов периодической системы Д.М.Менделеева кислорода 70%, углерода 18%, водорода 10% , азота 3%, а так же Fe, K, S, P, Cl, Mg, Na, I, F и т.д

Так, например N и S входят в состав белка, P – в ДНК и РНК, Mg – в состав ферментов и хлорофилла.

Вода занимает 80% обмена клетки, она прочно связана с белками и образует вокруг них водные оболочки. В живых организмах вода не только растворяет вещества, но и участвует протекающих реакциях гидролиза.

К органическим веществам относятся белки, углеводы, жиры.

Белки - это полимеры, они состоят из аминокислот. На долю белков в клетке приходится 50-80% сухой массы. Они имеют относительную молекулярную массу. В состав аминокислот две функциональные группы СООН и NН 2 , поэтому белки являются амфотерными соединениями. Макромолекула белка имеет первичную, вторичную, третичную и четвертичную структуру. В организме человека происходит гидролиз белков (под влиянием ферментов, при этом аминокислоты попадают в кровь и поступают в ткани и клетки организма, где образуются белки, необходимые данному организму).

Жиры – это сложные эфиры трехатомного спирта глицерина, высших карбоновых кислот. Их содержится в клетках 5-15% от сухой массы. Жиры попадая в организм человека под действием ферментов подвергаются гидролизу. Продукт гидролиза – глицерин и карбоновые кислоты всасываются ворсинками кишечника и снова образуют жир, необходимый данному организму. Жиры – это источники энергии, при расщеплении 1гр. жира выделяется 38,9 кдж.

Углеводы – это органические вещества состоящие из С и Н 2 О. Они делятся на три группы: моносахариды (глюкоза и фруктоза), дисахариды (сахароза), полисахариды (крахмал, целлюлоза). Глюкоза и фруктоза хорошо растворимы в воде. Полисахариды состоят из остатков моносахаридов, нерастворимы в воде. Углеводы играют важную роль в обмене веществ и энергии в организме человека. Являются основным компонентом пищи, углеводы поставляют большую часть энергии, необходимой для жизнедеятельности организмов. Некоторые углеводы входят в состав нуклеиновых кислот, осуществляют биосинтез белка и передачу наследственной информации.

Вопрос №3 «Проблема обеспечения населения продуктами питания»

Пищевые продукты в организме человека выполняют 3 функции:

1.Снабжают организмы материалом для построения его тканей и постоянного обновления их;

2.Снабжают организм энергией, необходимой для жизнедеятельности и совершения работы;

3.Снабжают организм веществами, играющую важную роль в регулировании обмена веществ.

В организме человека питательные вещества подвергаются сложным изменениям, в результате которых превращаются в вещества самого организма, его клеток и тканей, т.е. усваиваются. Этот процесс называется ассимиляцией. Одновременно с созданием клеток и тканей в организме постоянно происходит частичное и разрушение. Процесс распада веществ, входящих в состав клеток и тканей называется диссимиляцией и происходит с выделением энергии затрачиваемой на все виды работ организма.

Оба процесса находятся в тесной взаимосвязи и называются обменом веществ.

Потребность в различных пищевых веществах и энергии зависит от пола, возраста и характера трудовой деятельности. Для правильного составления рациона питания с учетом характера и интенсивности трудовой деятельности.

Правильное составлении индивидуального рациона питания возможно лишь при знании химического состава пищевых продуктов, которые подразделяются на две группы: органические и неорганические. Для обеспечения населения продуктами питания используют «искусственную пищу». Термин «искусственная пища» означает искусственное получение продуктов питания, т.е. получение их путем химической реакции. При создании искусственных продуктов питания очень важно подобрать запах и вкус. Сегодня могут синтезировать любой запах и создать меню хорошего обеда: черная икра, лососина, суп куриный. Мармелад, соки

6. Закрепление

Выберите правильный ответ:

1.В процессе дыхания:

1. Поглощается кислород
2. Выделяется углекислый газ
3. Поглощается углекислый газ

2. Кислород выделяющийся при фотосинтезе, образуется при распаде:

1. Глюкозы
2. Воды

1. Соединение простых веществ в сложные называется:

1. Метаболизмом
2. Ассимиляцией
3. Метаболизмом

1. В процессе гликолиза в клетках животных образуется:

1. Глюкоза
2. Молочная кислота
3. Крахмал

1. К процессам ассимиляции относится:

1. Фотосинтез
2. Дыхания
3. Синтез белка

7. Заключение

Сегодня на уроке мы рассмотрели вещества, которые снабжают организм энергией, необходимой для жизнедеятельности и совершения работы, они играют важную роль в обмене веществ и энергии в клетке. В организме человека питательные вещества подвергаются сложным изменениям, в результате которого они превращаются в вещества самого организма. Потребность в различных пищевых веществах и энергия зависят от пола, возраста и характера трудовой деятельности

Литература

1. Захаров В.Б.. Общая биология – М.: Дрофа-2003 г.

2. Ридигер О.Н. Биология – М.:АСТ-ПРЕСС ШКОЛА, 2003.

3.Габриелян О. С., Остроумов И. Г. Химия - М.: ОИЦ «Академия»,2008.