Конспект для НМТ об обмене веществ и превращении энергии. Понятия расположены по последовательности их появления в 43 тренировочных заданиях.
Тема 9. Обмен веществ и превращение энергии
1. Что такое обмен веществ
Метаболизм — совокупность всех химических превращений в клетке. Пластический обмен, или анаболизм, образует сложные вещества из простых и требует энергии. Энергетический обмен, или катаболизм, расщепляет вещества и высвобождает энергию. Оба направления связаны через АТФ.
2. Фотосинтез и дыхание: зависимость от условий
Фотосинтез накапливает энергию в органических веществах, а клеточное дыхание высвобождает её. Интенсивность обоих процессов зависит от температуры, но при слишком высокой температуре фотосинтез прекращается из-за повреждения ферментов, тогда как расщепление запасённых веществ некоторое время продолжается.
3. Дыхательная цепь и внутренняя мембрана
У эукариот белки-переносчики электронов расположены во внутренней мембране митохондрий, на её кристах. Они перекачивают протоны и создают градиент, который использует АТФ-синтаза. У прокариот митохондрий нет, поэтому дыхательная цепь находится в плазматической мембране.
4. Хемосинтез
Хемосинтез — образование органических веществ из углекислого газа за счёт энергии окисления неорганических соединений. Его осуществляют некоторые бактерии: нитрифицирующие, серобактерии, железобактерии и водородные бактерии. Свет для этого процесса не нужен.
5. Автотрофы, гетеротрофы и миксотрофы
- Фотоавтотрофы используют свет, CO₂ и воду: растения, водоросли, цианобактерии.
- Хемоавтотрофы получают энергию при окислении неорганических веществ.
- Гетеротрофы потребляют готовые органические вещества: животные, грибы, большинство бактерий.
- Миксотрофы совмещают разные способы питания; пример — эвглена зелёная.
6. Органеллы и процессы обмена
- Рибосомы — синтез белка.
- Хлоропласты — фотосинтез и фиксация CO₂.
- Митохондрии — кислородный этап энергетического обмена.
- Лизосомы — внутриклеточное расщепление полимеров в кислой среде.
- Комплекс Гольджи — изменение, сортировка и упаковка веществ.
7. Бескислородный этап: гликолиз
Гликолиз происходит в цитоплазме без обязательного участия кислорода. Одна молекула глюкозы превращается в две молекулы пирувата; чистый энергетический выход — 2 АТФ и 2 НАД·Н. При недостатке кислорода в мышцах пируват восстанавливается до молочной кислоты, что позволяет продолжать гликолиз.
8. Кислородный этап клеточного дыхания
Пируват поступает в митохондрию. В матриксе происходят окислительное декарбоксилирование и цикл Кребса, образуются CO₂ и восстановленные переносчики. На кристах работают электронтранспортная цепь и окислительное фосфорилирование; кислород является конечным акцептором электронов, образуется вода.
9. Брожение
Брожение — анаэробное превращение продуктов гликолиза. Молочнокислое брожение образует лактат, а спиртовое — этанол и CO₂. Общий энергетический выход вместе с гликолизом составляет только 2 АТФ на одну глюкозу.
10. АТФ — универсальный переносчик энергии
АТФ состоит из аденина, рибозы и трёх остатков ортофосфорной кислоты. При отщеплении конечного фосфата АТФ превращается в АДФ и высвобождает энергию. При фосфорилировании АДФ снова присоединяет фосфат и запасает энергию.
11. Ферменты и факторы их активности
Ферменты — биологические катализаторы, преимущественно белки. Субстрат связывается с активным центром, образуется фермент-субстратный комплекс, после реакции продукты отделяются. Скорость зависит от температуры, pH и концентраций. Высокая температура или крайний pH изменяют пространственную структуру белка — происходит денатурация.
12. Мембранный транспорт и затраты энергии
Простая и облегчённая диффузия происходят по градиенту концентрации без затрат АТФ. Активный транспорт переносит вещества против градиента и требует энергии. Эндоцитоз и экзоцитоз перемещают крупные частицы или порции вещества в везикулах.
13. Фотосинтез: световая и темновая фазы
Световые реакции происходят на мембранах тилакоидов: поглощается свет, расщепляется вода, выделяется O₂, образуются АТФ и НАДФ·Н. В строме хлоропласта цикл Кальвина использует эти соединения для фиксации CO₂ и синтеза углеводов.
14. Как решать задания об энергетическом обмене
- Сначала определите процесс: синтез или расщепление, с кислородом или без него.
- Сопоставьте место: цитоплазма — гликолиз; матрикс — цикл Кребса; кристы — дыхательная цепь; тилакоиды — световая фаза.
- Для типа питания определите отдельно источник углерода и энергии.
- В графиках найдите оптимум, точку прекращения процесса и сравните кривые.
- Помните: фотосинтез запасает энергию, дыхание её высвобождает, а АТФ переносит.
