Процессы пластического и энергетического обмена в клетке

Энергетический обмен общая схемаРабота всех систем в организме непрерывна. В нём постоянно протекают сложные химические реакции, обеспечивающие нормальную жизнедеятельность. Одним из самых важных процессов является обмен веществ и энергии, то есть метаболизм.

Именно благодаря ему, клетки сохраняют постоянство состава, растут, функционируют, а также обновляются. Процесс этот непростой и состоит из двух видов обмена — пластического и энергетического, которые, в свою очередь, имеют несколько стадий.

Оглавление:

В организме непрерывно происходит как расщепление сложных веществ на более простые, так и синтез необходимых соединений из различных элементов. В результате первого типа реакций, который называется энергетическим обменом, или катаболизмом, тело человека получает необходимую для нормального функционирования энергию. Но её часть расходуется на создание новых соединений, которые нужны для жизнедеятельности. Такой процесс носит название пластического обмена, или анаболизма.

Энергетический обмен

Катаболизм и анаболизмКатаболизм, называемый также диссимиляцией, происходит вплоть до того момента, пока все питательные вещества, поступившие в организм, не расщепятся до углекислого газа, воды или других простых соединений, которые уже нельзя использовать.

Этот процесс аналогичен горению, ведь в его результате выделяются те же вещества. Но он происходит с куда большей скоростью и не нуждается в высоких температурах. Кроме того, важным отличием является то, что энергия не переходит в тепловую, чтобы безвозвратно рассеяться, а запасается для дальнейших нужд организма. Это делает процесс невероятно эффективным и уникальным.

Распад веществ для получения организмом энергии — это то, что характеризует энергетический обмен в клетке. Происходит он в несколько стадий:

  • подготовительная;
  • неполная (анаэробное дыхание);
  • аэробное дыхание.

Каждая из этих стадий имеет свои особенности и играет важную роль в метаболизме в целом. Далее будет более подробно рассказано про каждую из них.

Подготовительный этап

Единственная из стадий, которая протекает в желудочно-кишечном тракте. Она заключается в пищеварении, то есть распаде сложных органических соединений на простые. Распад у сложных организмов осуществляется под действием пищеварительных ферментов, а у одноклеточных — с помощью лизосом. При этом белки распадаются на аминокислоты, жиры — на алифатические карбоновые кислоты и глицерин, углеводы — на сахариды, нуклеиновые кислоты — на нуклеотиды.

  • Белковый обменОбмен белков. Когда белки попадают в организм в составе пищи, они распадаются до аминокислот, которых в организме человека около 20 видов. Часть аминокислот распадается далее до диоксида углерода, который устраняется с дыханием, а также воды и аммиака. Последний с помощью печени превращается в мочевину и выводится из организма вместе с водой. Энергия, которая выделяется при таком распаде, также запасается организмом, но обычно до этой стадии не доходит, поскольку не распавшиеся аминокислоты используются для построения новых белков, необходимых человеку. Особенно полезны в этом смысле животные белки, поскольку растительные проигрывают им по своей ценности.
  • Обмен углеводов. Углеводы — очень важные элементы питания человека. Именно их распад обеспечивает организм самым большим количеством энергии. Она необходима не только для физической, но и для умственной работы. Особый вклад в работу мозга делает глюкоза, попадающая в кровь. Снижение её количества в 2 раза приводит к гибели организма. 150 г — необходимая ежесуточная доза для нормальной работы мозга и мышц, но, конечно, не стоит употреблять слишком много углеводов, поскольку избыток откладывается в организме, что выражается в жировых отложениях.
  • Обмен жиров в организмеОбмен жиров. Разложение растительных и животных жиров до жирных кислот и глицерина, а затем и до воды с углекислым газом обеспечивает организм ещё большей энергией, чем распад углеводов. Липиды также поступают в кровь и обогащают внутренние органы (например, печень, почки), но не подходят для мозговых процессов, вот почему углеводы считаются лучшим источником энергии. Кроме того, избыток липидов также приводит к ожирению, поэтому не стоит употреблять их в количестве, превышающем 80 г в сутки.
  • Обмен нуклеиновых кислот. Нуклеопротеиды играют важную роль в хранении наследственной информации, а также контроле метаболизма и его скорости, но не делают в организм какого-либо существенного энергетического вклада. Они распадаются на полипептиды, которые в дальнейшем повторяют процессы, происходящие при обмене белков, описанные выше. Нуклеиновые кислоты распадаются до мононуклеотидов, из которых организм будет строить новые соединения.
  • Обмен воды и минералов. Вода — основная составляющая человеческого организма. Её потери необходимо ежедневно компенсировать, выпивая чистую воду и употребляя пищу, богатую этой жидкостью. Вместе с водой и едой в организм поступают макро-, микро- и ультрамикроэлементы.

При всех этих процессах дополнительно выделяется энергия в виде тепла, но не в самых больших количествах. Далее процессы происходят на клеточном уровне.

Анаэробное дыхание

Анаэробный гликолизЭта стадия называется также гликолизом применительно к царству животных, или брожением, если имеются в виду растения и микроорганизмы. Весь процесс происходит в цитоплазме клеток за счёт работы ферментов.

Он продолжает предыдущую стадию тем, что из моносахарида, коим является глюкоза, выделяются ещё более простые вещества — спирт и углекислый газ, а также кислоты.

Этот вид обмена универсален для всех организмов и используется даже в повседневной жизни. Поскольку он протекает и в бактериях, его широко применяют в пищевой промышленности: дрожжи производят этиловый спирт, кисломолочные бактерии — молочную кислоту, а животные клетки — пировиноградную. В некоторых микроорганизмах выделяется ацетон и этановая кислота.

При этом также выделяется энергия, часть которой запасается в двух молекулах аденозинтрифосфата (АТФ), и некоторое количество рассеивается с выделением тепла. Но двух молекул АТФ недостаточно для полноценной работы организма, поэтому за анаэробным этапом последует кислородное расщепление.

Аэробное дыхание

Клеточное дыханиеДругие названия этого этапа — клеточное дыхание, или кислородное расщепление. Как видно из названия, процесс невозможен без кислорода, который выступает в роли окислителя продуктов распада глюкозы. Помимо кислорода, в работе участвует фосфорная кислота и аденозиндифосфат (АДФ). Под действием ферментов они без повышения температуры моментально сжигают органические вещества до углекислого газа и воды.

Благодаря окислению из одной молекулы вещества (образовавшиеся на предыдущем этапе молочная, пировиноградная кислоты и так далее) клетка получает 18 АТФ, каждая из которых служит мощным источником энергии. Этот этап происходит в митохондриях клетки и является самым важным во всём энергетическом обмене, так как обеспечивает клетку большим количеством АТФ.

Пластический обмен




Пластический обмен (ассимиляция) -это совокупность реакций синтезаПластический обмен ещё называется анаболизмом, ассимиляцией и биосинтезом. Он является не менее важной составляющей метаболизма, ведь именно пластический обмен в клетке характеризуется синтезом новых веществ, что обеспечивает образование ферментов, гормонов, а также белков, липидов и других веществ, участвующих в построении клеток, межклеточного пространства и других составляющих организма. Так же, как и энергетический обмен, он является сложным и протекает во многих организмах. Далее будут приведены примеры и процессы пластического обмена.

  • Фотосинтез, который свойственен растениям, а также некоторым бактериям. Они называются автотрофами, поскольку способны самостоятельно синтезировать необходимые для жизни органические вещества из неорганических соединений.
  • Хемосинтез протекает у бактерий, называемых хемотрофами. И они также могут обеспечивать себя необходимыми органическими соединениями. Для их жизнедеятельности не нужен кислород, они используют диоксид углерода.
  • Биосинтез белков осуществляется в живых организмах. К ним относятся и гетеротрофы, которые, в отличие от двух предыдущих упоминаемых форм, неспособны самостоятельно обеспечивать себя органическими веществами, а поэтому получают их с помощью других организмов.

Остановимся на этих процессах более подробно.

Фотосинтез

Фотосинтез

Процесс, без которого не была бы возможна жизнь на Земле. Многим формам жизни для дыхания нужен кислород взамен выдыхаемого ими в воздух углекислого газа. Этим важным веществом нас обеспечивают растения, в зелёных листьях которых содержатся хлоропласты. Их окружает пара мембран, поскольку внутри хлоропласта в цитоплазме содержатся ценные граны с собственными защитными оболочками. В этих стопках тилакоидов, в свою очередь, присутствует хлорофилл, отвечающий за цвет растения, но главное — делающий процесс фотосинтеза возможным.

Осуществляется он посредством соединения шести молекул углекислого газа с водой, в результате чего образуется глюкоза. Побочным продуктом реакции является жизненно необходимый кислород. Процесс возможен только на свету, при использовании солнечной энергии.

Хемосинтез

Хемосинтез протекает у микроорганизмов, также способных к самостоятельному преобразованию неорганических соединений в органические. К ним относятся:

  • Хемосинтез - формула реакциижелезобактерии (окисляют соли железа);
  • водородные (молекулы водорода);
  • серные (сернистый водород);
  • нитрифицирующие (аммиак из гниющих остатков растений);
  • тионовые (молекулы серы, а также её соединения в виде солей).

Окисление углекислого газа происходит без участия кислорода, с использованием запасённой ранее энергии. Из диоксида углерода синтезируются органические вещества, необходимые для жизнедеятельности.

Биосинтез белков

Сложный процесс, направленный на разложение попадающих в организм белков на составляющие, из которых впоследствии синтезируются собственные уникальные белки. Состоит из двух стадий.

Транскрипция — процесс, состоящий из трёх этапов (образование транскрипта, процессинг, сплайсинг), которые происходят в ядре клетки. Они направлены на создание информационной РНК (иРНК) из ДНК. В результате новый полимер полностью копирует небольшой участок нити ДНК с той разницей, что тимину в нём эквивалентен урацил.

Трансляция — перенос информации с синтезированной на предыдущем этапе молекулы РНК на строящийся полипептид с указаниями о его будущей структуре. Процесс происходит на рибосомах, расположенных в цитоплазме клетки. Они имеют овальную форму и состоят из частей, которые могут соединяться только при наличии иРНК. Сам перенос информации осуществляется в несколько этапов.

  1. Обмен веществ и превращение энергииПод действием ферментов и при участии АТФ аминокислоты проходят активацию с образованием аминоациладенилата.
  2. Аминоксилота связывается с транспортной РНК (тРНК) с выделением аденозинмонофосфата (АМФ).
  3. Образованный на предыдущем этапе комплекс объединяется с рибосомой.
  4. Аминокислоты подставляются в структуры пептида и освобождают тРНК.

Итак, все вещества, поступающие в живой организм, распределяются в нём так, чтобы приносить ему пользу. Сложные распадаются с выделением энергии, необходимой для дальнейшей жизнедеятельности (например, выполнение физической или умственной работы человеком), запасаемой в АТФ. А из простых веществ организм синтезирует новые соединения с использованием энергии, накопившейся в универсальном источнике — молекуле той самой АТФ. При этом энергия не расходуется безвозвратно — она запасается в новых соединениях.

Диссимиляция и ассимиляция в корне отличаются друг от друга, но при этом они неразрывно связаны. Ведь именно катаболизм даёт энергию, без которой невозможен анаболизм, то есть синтез необходимых организму веществ. Вот почему эти два процесса являются очень важными.

Нет комментариев

Добавить комментарий

Спасибо! Ваш комментарий появится после проверки.
Adblock detector