Чтобы максимально точно ответить на заданный вопрос рассмотрим понятия "пластический и энергетический обмен".
Понятия пластического и энергетического обмена
Эти два понятия вытекают из определения обмена веществ. Метаболизм или обмен веществ - это скорость химических соединений, которые ежедневно происходят в нашем организме. Обмен веществ состоит из двух компонентов: пластического и энергетического обмена. Рассмотрим подробнее эти два понятия:
- Энергетический обмен - это обменный процесс, при котором происходит разделение питательных веществ до простейших соединений. Выделяют несколько этапов энергетического обмена.
- Пластический обмен - это реакции, происходящие в организме, при которых синтезируется химические вещества из сложных в простые при помощи энергии. По-другому, пластический обмен именуется анаболизмом.
Стадии энергетического обмена
- Подготовительная стадия. На данной стадии происходит в желудке человека, где белки под действием различного типа ферментов распадаются на простейшие аминокислоты, а углеводы - на моносахариды.
- Анаэробная стадия. Расщепляются органические соединения до более простых и однородных веществ. Анаэробная стадия может протекать в организме, не включая в себя кислород. Данный этап протекает исключительно в цитоплазме.
- Аэробная стадия должна происходит только при участии кислорода. На этой стадии промежуточные продукты обмена превращаются в переработанные продукты.
Заканчивается процесс энергетического обмена непосредственно в клетке, а именно в митохондриях.
Разновидности пластического обмена
Пластический обмен веществ, в отличие от энергетического процесса происходит только на клеточном уровне. Пластический обмен имеет три разновидности:
- Фотосинтез (Обладают исключительно растения и бактерии).
- Хемосинтез (Используются определёнными бактериями без участия кислорода).
- Биосинтез белков (Происходит обмен белков в организме человека, которые впоследствии превращаются в аминокислоты).
Таким образом, пластический и энергетический обмен имеют связь между собой. Энергетический обмен проходит несколько этапов и преимущественно протекает в митохондриях. А пластический обмен происходит исключительно в клетках.
Энергетический обмен, или катабализм или диссимиляция, происходит в митохондриях. В ходе него высвобождается энергия в виде молекул АТФ и тепла, которое рассеивается по клетке/ организму. Данный процесс называется гликолизом, имеет 3 стадии. Подготовительную, бескислородную- матрикс митохондрий, из глюкозы образуется 2 молекулы АТФ и пировиноградная кислота. Кислородный этап-кристы тех же митохондрий. Пировиноградная кислота окисляется до кислорода и воды, образуется 36 молекул АТФ.
Пластический, ассимиляция или анаболизм, происходит в результате синтеза организмом веществ. В первую очередь белков. Происходит на рибосомах.
Метаболизм, то есть совокупность всех химических реакций, происходящих в организме, включает в себя энергетический и пластический обмен. Первый - это реакции, направленные на получение энергии вследствие расщепления сложных органических соединений на более простые. Он еще называется катаболизмом. Пластический обмен называют еще анаболизмом. Он подразумевает реакции, с помощью которых организм синтезирует нужные ему сложные химические вещества из простых с использованием энергии. Таким образом, получается, что, добыв энергию в процессе катаболизма, часть её организм тратит на синтез новых органических веществ.
Энергетический обмен: особенности и этапы
Этот вид обмена веществ осуществляется в три стадии: подготовительная, анаэробное брожение, или гликолиз, и клеточное дыхание. Рассмотрим их более подробно:
Пластический обмен — это что? Какие у него особенности?
Рассмотрев процесс катаболизма, можно перейти к описанию анаболизма, который является важной составляющей обмена веществ. Вследствие этого процесса образуются вещества, из которых построена клетка и весь организм в целом, которые могут служить в качестве гормонов или ферментов и т. д. Пластический обмен (он же биосинтез, или анаболизм) происходит, в отличие от катаболизма, исключительно в клетке. Он включает в себя три разновидности: фотосинтез, хемосинтез и биосинтез белков. Первый используется только растениями и некоторыми фотосинтезирующими бактериями. Такие организмы называются автотрофами, так как сами вырабатывают для себя органические соединения из неорганических. Второй используется определенными бактериями, в том числе и анаэробными, для жизни которых не требуется кислород. Формы жизни, использующие хемосинтез, называются хемотрофами. Животные и грибы относятся к гетеротрофам — существам, которые получают органические вещества из других организмов.
Фотосинтез
Это процесс, который, по сути, является основой жизни на планете Земля. Всем известно, что растения забирают из атмосферы углекислый газ и отдают кислород, но давайте более подробно рассмотрим, что же происходит во время фотосинтеза. Этот процесс осуществляется посредством реакции, которая предусматривает образование глюкозы и кислорода из углекислого газа и воды. Очень важный фактор - наличие солнечной энергии. Во время такого химического взаимодействия из шести молекул углекислого газа и воды образуется шесть молекул кислорода и одна - глюкозы.
Где происходит этот процесс?
Местом проведения подобного рода реакции являются зеленые листья растений, а точнее хлоропласты, которые содержатся в их клетках. В этих органеллах содержится хлорофилл, благодаря которому и происходит фотосинтез. Данное вещество также обеспечивает зеленый цвет листков. Хлоропласт окружен двумя мембранами, а в его цитоплазме расположены граны — стопки из тилакоидов, которые имеют собственную мембрану и содержат хлорофилл.
Хемосинтез
Хемосинтез — это также пластический обмен. только характерен он для микроорганизмов, в том числе и серных, нитрифицирующих и железобактерий. Они используют энергию, полученную в процессе окисления определенных веществ, для восстановления углекислого газа до органических соединений. Веществами же, которые окисляются данными бактериями в процессе энергетического обмена, являются сероводород для первых, аммиак для вторых и закись железа для последних.
Биосинтез белков
Обмен белков в организме подразумевает расщепление тех, которые были употреблены в пищу, на аминокислоты и построение из последних своих собственных белков, свойственных именно данному живому существу. Пластический обмен - это синтез белков клеткой, он включает в себя два основных процесса: транскрипцию и трансляцию.
Транскрипция
Это слово многим известно из уроков английского языка, однако в биологии данный термин имеет совсем другое значение. Транскрипция — это процесс синтеза информационной РНК с помощью ДНК по принципу комплементарности. Осуществляется он в ядре клетки и насчитывает три стадии: образование первичного транскрипта, процессинг и сплайсинг.
Трансляция
Этот термин обозначает перенос зашифрованной на иРНК информации о структуре белка на синтезирующийся полипептид. Местом для проведения данного процесса служит цитоплазма клетки, а именно, рибосома — специальный органоид, который отвечает за синтез белков. Это органелла овальной формы, состоящая из двух частей, которые соединяются в присутствии иРНК.
Трансляция происходит в четыре этапа. На первой стадии аминокислоты активируются специальным ферментом под названием аминоацил Т-РНК-синтетаза. Для этого также используется АТФ. Впоследствии образуется аминоациладенилат. Далее следует процесс присоединения активированной аминокислоты к транспортной РНК, при этом выделяется АМФ (аденозинмонофосфат). Затем, на третьем этапе, образованный комплекс соединяется с рибосомой. Далее происходит включение аминокислот в структуру белка в определенном порядке, после чего тРНК высвобождается.
Совокупность химических превращений в организме называют метаболизмом. Различают пластический и энергетический обмен . Синтез сложных веществ из простых называют анаболизмом. Иначе- пластический обмен. Расщепление компонентов питания - это катаболизм. Другое название - энергетический обмен.
Пластический обмен именуют ассимиляцией. Из низкомолекулярных веществ - мономеров собираются необходимые для жизнедеятельности сложные соединения. Почему ассимиляция называется пластическим способом обмена? Потому что синтезированные соединения служат строительными материалами для формирования тканей.
Важно ! Ассимиляция (пластический) выполняет функцию производства строительного материала для формирования тканей.
Ассимиляцией управляет генетический аппарат, поэтому каждая клетка синтезирует практически такие же соединения из которых состоит сама. Химические реакции проходят с потреблением энергии. Главными веществами, необходимыми для протекания реакций, являются протеины, углеводы, а также .
У разных типов организмов обмен веществ и энергии происходит неодинаково. Зеленые растения осуществляют фотосинтез, при котором, на свету из H2O, а также оксида углерода получают моносахариды. Примитивные организмы, лишенные хлорофилла, способны синтезировать строительный материал во тьме. Такой процесс получил название «хемосинтез». Животные получают готовые питательные вещества, которые расщепляют для последующей переработки.
Важно! Процессы ассимиляции протекают при помощи фотосинтеза, хемосинтеза или биосинтеза.
Фотосинтез
Что характеризует энергетический обмен в растительной клетке? Присутствие хлорофилла с помощью которого осуществляется фотосинтез по следующей схеме:
При постоянном освещении фотосинтез невозможен . Фотоны активирует , удаляя из нее кислород, который препятствует процессу. Во тьме происходит реакция синтеза с участием энергоносителя - АТФ по следующей схеме:
Из простых сахаров, а также неорганических соединений азота синтезируются аминокислоты . Избыток низкомолекулярных углеводов аккумулируется тканями в форме крахмала и жиров.
Важно! Для осуществления фотосинтеза необходимо чередование светлого и темного периодов.
Хемосинтез
Бактерии приспособились добывать энергию, активируя ионы водорода посредством химических реакций с неорганическим веществами. Нитрифицирующие организмы делают азотоводород азотной кислотой:
Железобактерии переводят Fe2+ в Fe3+.
Сульфурбактерии синтезируют серную кислоту из сероводорода:
Дальнейшие превращения углекислоты в моносахариды происходит по схеме темной стадии фотосинтеза.
Синтез белков
Процесс характерен для животных и грибов, получающих готовую пищу, подвергающуюся катаболизму, о котором будет подробнее сказано ниже. Они расщепляют поступающие протеины до аминокислот. Попадая в клетку, мономеры соединяются так, как диктует генетический кодировка клеточного ядра. Эта сложная процедура - трансляция, протекает в рибосомах при участии РНК.
Энергетический обмен в клетке
Катаболизм или диссимиляция - это процесс расщепления сложных соединений на простые с участием или без него. В обоих случаях высвобождается энергия, которая аккумулируется макроэргическими молекулами - АТФ, содержащими три фосфорнокислых остатка.
Где происходит энергетический способ обмена? Он протекает внутри клеток, а также вне их, проходя следующие этапы:
- Предварительный;
- Анаэробное брожение;
- Клеточное дыхание.
Предварительный этап
Эта фаза протекает в алиментарном тракте. Посредством пищеварительных ферментов сложные вещества дробятся на простые, способные всосаться из кишечной трубки. Протеины распадаются до аминокислот. Углеводы становятся моносахаридами.
Главным источником энергии является глюкоза. Жиры расщепляются до карбоновых кислот, а также многоатомного спирта - глицерина. При распаде каждой разновидности питательных веществ образуется неодинаковое количество энергии. (таблица)
Транснациональная система мер определяет энергоемкость компонентов питания Джоулями. Одна Ккал равна 4,2 КДж. При окислении каких веществ освобождается больше энергии? Самыми калорийными компонентами пищи являются жиры, потому что состоят, преимущественно из высокомолекулярных карбоновых кислот. Так, Пальмитат (C16 H32 O2) содержит 12,5% кислорода, а глюкоза - 53,3. Материала для окисления у жирной кислоты больше, следовательно, энергоемкость выше. Поэтому калорийность липидов превышает питательность белков и углеводов в 2,25 раза.
Калорийность углеводов и протеина в 2,25 раза ниже, чем у жиров.
Анаэробное брожение
Невыгодная, с точки зрения извлечения энергии, процедура, которую именуют гликолизом . Альтернативное название - биологическое или неполное окисление. Оно протекает без использования O2. Выделяются богатые энергией водород, и метан, которые не окисляются. У разных организмов процессы протекают неодинаково.
Дрожжевые грибки, некоторые бактерии, а также растения образуют спирты, ацетон, карбоновые кислоты. Это свойство используют при производстве алкоголя, сыров и заквашивании теста. Химическая реакция протекает, преимущественно, по следующему сценарию:
Молочнокислые микроорганизмы сбраживают углеводы до лактата. Это свойство бактерий применяют для изготовления кефира, йогурта, сыров, прочих изделий. Химическая реакция протекает по следующему сценарию:
У грибов, человека, других млекопитающих, энергетический обмен в клетке представляется сбраживанием углеводов до пировиноградной кислоты:
Все разновидности гликолиза, независимо от конечного продукта, сопровождаются выделением двух АТФ на молекулу глюкозы.
Клеточное дыхание
Что характеризует энергетический обмен в живой клетке? Под воздействием тканевых ферментов кислород высвобождается из эритроцита, проникает через мембрану, поступает в биологическую печь - митохондрию. Там он поддерживает низкотемпературное горение с образованием воды, а также окисла углерода. Последний ферменты удаляют из клетки, присоединяя к молекуле гемоглобина. Эритроциты доставляют отработанный шлак легким, где при помощи выдоха отработанный газ покидает организм.
Для осуществления биологического горения необходимы энзимы, которые вырабатываются лизосомами, а также АДФ - макроэнергические молекулы, содержащие не три, а два фосфорнокислых радикала.
Для извлечения энергии глюкоза и алкоголь предварительно превращаются в лактат. Дальнейшие преобразования представляются приведенным ниже уравнением:
Митохондрии умеют извлекать энергию из пирувата при менее эффективном выходе молекул АТФ.
Взаимосвязь анаболизма и катаболизма
Метаболизм представляется сочетанием процессов синтеза и расщепления. В организме такое преобразование происходит при температуре тела посредством биокатализаторов - ферментов. Функция пластического обмена заключается в синтезе необходимых организму соединений - протеинов, карбогидратов, липидов, АТФ, ферментов, прочих биологически деятельных веществ. Ассимиляция происходит с потреблением энергии, которая высвобождается органеллами.
Важно! Обмен веществ и энергии осуществляется при единовременном протекании процессов ассимиляции, а также диссимиляции.
Пластический и энергетический обмен. Биология 8 класс.
Метаболизм. Энергетический обмен. Для чего мы дышим?
Вывод
Метаболизм является сочетанием одномоментно происходящих процессов - это пластический и энергетический обмен. Практически все превращения происходят в цитоплазме или специальных органеллах клетки. Оба процесса взаимосвязаны, являются необходимыми для осуществления жизнедеятельности любого организма.
Обмен веществ (метаболизм) – это совокупность взаимосвязанных процессов синтеза и расщепления химических веществ, происходящих в организме:
1.анаболизм (ассимиляция, пластический обмен) – синтез более сложных мономеров из более простых с поглощением и накоплением энергии в виде химических связей в синтезированных веществах.
2.катаболизм (диссимиляция, энергетический обмен) – распад более сложных мономеров на более простые с освобождением энергии и ее запасанием в виде макроэргических связей АТФ.
Анаболизм и катаболизм связаны между собой. Все синтетические процессы нуждаются в веществах и энергии, поставляемых процессами расщепления.
Процессы расщепления катализируются ферментами, синтезирующимися в ходе пластического обмена, с использованием продуктов и энергии энергетического обмена.
Живые существа для своей жизнедеятельности используют световую и химическую энергию.
Зеленые растения – автотрофы – синтезируют органические соединения в процессе фотосинтеза, используя энергию солнечного света. Источником углерода для них является углекислый газ. Многие автотрофные прокариоты добывают энергию в процессе хемосинтеза – окисления неорганических соединений. Для них источником энергии могут быть соединения серы, азота, углерода.
Гетеротрофы используют органические источники углерода, т.е. питаются готовыми органическими веществами.
Особая группа организмов – миксотрофы – питаются смешанным способом – это растения росянка, венерина мухоловка (среди растений есть даже гетеротроф – раффлезия); а среди животных есть одноклеточное животное - эвглена зеленая.
Ферменты – это специфические белки – катализаторы. Термин «специфические» означает, что объект, по отношению к которому этот термин употребляется, имеет неповторимые особенности, свойства, характеристики. Каждый фермент обладает такими особенностями, потому что, как правило, катализирует определенный вид реакций. Иными словами, к активному центру фермента, имеющему сложное строение, как к замку, подходит только один или несколько «ключей» - расщепляющихся субстратов или ингибиторов.
Ни одна биохимическая реакция в организме не происходит без участия ферментов. Особенности специфичности молекулы фермента объясняются ее строением и свойствами . В молекуле фермента есть активный центр (замок) , пространственная конфигурация которого соответствует пространственной конфигурации веществ, с которыми фермент взаимодействует (ключам) . Узнав свой субстрат, фермент взаимодействует с ним и ускоряет его превращение.
Ферментами катализируются все биохимические реакции.
Активность ферментов зависит от температуры, кислотности среды, количества субстрата, с которым он взаимодействует. При повышении температуры активность ферментов увеличивается. Однако происходит это до определенных пределов, т.к. при достаточно высоких температурах белок денатурируется. Среда, в которой могут функционировать ферменты, для каждой группы различна. Есть ферменты, которые активны в кислой или слабокислой среде или в щелочной или слабощелочной среде. В кислой среде активны ферменты желудочного сока у млекопитающих. В слабощелочной среде активны ферменты кишечного сока. Пищеварительный фермент поджелудочной железы активен в щелочной среде. Большинство же ферментов активны в нейтральной среде.
Пластический обмен носит еще название анаболизма или ассимиляции и является совокупностью всех ферментативных биохимических реакций, в результате которых синтезируются биоорганические соединения.
Пластический обмен включает биосинтез протеинов, липидов, углеводов, нуклеиновых кислот. При анаболизме проходит также процесс фотосинтеза и хемосинтеза.
Если говорить о пластическом обмене в организме человека, то сразу надо сказать, что все которые попадают в организм с пищей, имеют высокомолекулярный состав, поэтому не могут усваиваться. В процессе пищеварения данные соединения распадаются на отдельные мономеры, которые уже используются для синтеза специфических высокомолекулярных веществ, присущих человеческому организму.
Одним из самых важных классов соединений являются белки. Белковую природу имеют все ферменты организма, а также некоторые гормоны. Белками являются гемоглобин (обеспечивает дыхательную функцию), антитела (обеспечивают иммунный ответ организма), актин и миозин (предопределяют сокращение мышц), коллаген и кератин (выполняют структурную функцию в организме).
Учитывая важную роль белков для функционирования организма, стоит рассмотреть процесс их синтеза как важной части пластического обмена.
Надо сказать, что все живые организмы отличаются между собой наличием специфических протеинов, которые состоят из аминокислот. Именно взаиморасположение аминокислот определяет специфические свойства белковых соединений.
Белки синтезируются в клеточной цитоплазме на специальных органеллах - рибосомах. Данные структуры состоят из большой и малой субъединиц. Они принимают участие в процессах синтеза протеинов. Важную роль в биосинтезе белков играют нуклеиновые кислоты, к которым относится ДНК и РНК. Так, структурные единицы ДНК (гены) содержат закодированную информацию о первичной структуре белков (последовательность аминокислот), а РНК отвечает за ее считывание и транспорт аминокислот к месту, где идет синтез белка.
Синтез протеинов происходит в два этапа: транскрипция и трансляция. В основе транскрипции лежит процесс переноса информации о с ДНК на РНК.
Трансляция - синтез полипептидной цепи с соответствующей последовательностью аминокислот согласно при участии матричной (информационной) РНК. Весь процесс трансляции проходит три стадии: инициации, элонгации, терминанации. В результате трансляции образуется белок с первичной структурой.
Стоит вспомнить, что пластический обмен - это не только синтез белков или других но и фотосинтез, который является сложным и многоступенчатым процессом, он проходит в 2 фазы.
Световая фаза проходит в хлоропластах (на тилакоидах), при этом образуется АТФ и выделяется молекулярный кислород, а темновая фаза проходит в основном веществе хлоропластов и обуславливает поглощение углекислого газа и образование углеводов.
Думаю, не стоит останавливаться на роли фотосинтеза, достаточно сказать, что благодаря данному процессу ежегодно образуется около 150 млрд. т веществ органической природы, а также примерно 200 млрд. т кислорода.
Надо сказать, что пластический обмен тесно связан с энергетическими процессами, которые происходят в организме. Так, энергетический обмен (катаболизм) является противоположным процессом анаболизма и включает в себя все реакции расщепления, когда сложные соединения распадаются на простые, а высокомолекулярные вещества превращаются в ряд низкомолекулярных. При этом высвобождается энергия, которая используется в процессах пластического обмена.
Так, пластический и энергетический обмен в клетке составляют основу общего обмена - метаболизма, который включает все процессы синтеза и распада веществ.