В пособии подробно и в доступной форме изложена одна из наиболее трудных тем общей биологии — обмен веществ и энергии в клетке. В пособие включены вопросы для самоконтроля.
Адресовано учащимся 10–11 классов и абитуриентам. Будет полезно и учителям биологии.
Предисловие
Предлагаемое пособие представляет собой достаточно подробное и полное изложение одной из наиболее сложных тем курса общей биологии — обмена веществ на клеточном уровне. Пособие написано в соответствии с программой углубленного курса общей биологии и программой для поступающих в вузы. Оно адресовано учащимся 10–11 классов, изучающим общую биологию, абитуриентам, поступающим на факультеты биологического и медицинского профиля, а также школьным учителям биологии.
Книга будет полезна тем учащимся, которые хотели бы разобраться в биохимических процессах, протекающих в клетке. Она не подменяет учебник, а дополняет его и систематизирует имеющиеся знания. С его помощью вы разберетесь в том, что осталось неясным после изучения темы по учебнику или объяснения учителя. В нем полно и в доступной форме описаны и объяснены сложные процессы обмена веществ, протекающие на клеточном уровне у автотрофных и гетеротрофных организмов. Это фотосинтез, энергетический обмен, реакции матричного синтеза (репликация ДНК, биосинтез РНК и белка). Понимание именно этих вопросов вызывает наибольшие трудности у старшеклассников. Поэтому параллельно с описанием каждого процесса предлагаются схемы и рисунки, которые значительно облегчают процесс усвоения сложного материала.
После каждой темы даны вопросы для самопроверки и задания различного уровня сложности. Любой ученик, ознакомившись с приведенным в пособии теоретическим материалом и ответив на предлагаемые вопросы, может считать, что он вполне освоил данную тему.
Пособие понадобится тем учащимся, которые хотели бы хорошо подготовиться к выпускным и вступительным экзаменам по биологии, единому государственному экзамену. Старшеклассники и абитуриенты смогут воспользоваться этим пособием для повышения уровня подготовки и систематизации учебного материала. Предлагаемые схемы легко запоминаются и позволяют уточнить и систематизировать сложный материал. Работа с пособием поможет приобрести прочные знания по наиболее сложным вопросам курса общей биологии.
Пособие интересно и учителям биологии, работающим в общеобразовательной и профильной биологической школе. Оно поможет восстановить в памяти сложные процессы обмена веществ, подготовиться к урокам. Приведенные в пособии вопросы и задания могут использоваться для контроля знаний учащихся.
1. Обмен веществ и превращение энергии как основное свойство живого
Понятие об обмене веществ и превращении энергии
Одним из характерных признаков живого является обмен веществ и превращение энергии.
Обмен веществ,
или
метаболизм
(от греч. metabol — превращение), — это совокупность всех реакций синтеза и распада, протекающих в живых системах, связанная с выделением или поглощением энергии. Для существования организмов необходимы питательные вещества и энергия, которые они получают из внешней среды. В процессе питания и дыхания в организм поступают определенные вещества, которые в результате жизнедеятельности преобразуются, частично накапливаются, а частично выделяются в окружающую среду. Энергия и питательные вещества необходимы для осуществления всех процессов жизнедеятельности организма: роста, развития, движения, размножения и т. д. Основой этих процессов является обмен веществ и превращение энергии.
Живая система, которой является любой организм, находится в сложных взаимоотношениях с окружающей средой. Из окружающей среды он получает пищу, воду, кислород, свет, тепло. Из поступающих веществ и энергии организмы строят свое тело, образуя массу живого вещества планеты. В результате своей жизнедеятельности организмы сами воздействуют на окружающую среду и изменяют ее. Основой взаимосвязи живых систем и среды является обмен веществ и превращение энергии.
Для неживой природы также характерен обмен веществ. Например, при разрушении и выветривании горной породы происходит обмен веществ. Под действием воды, углекислого газа и других веществ крупные сложные породы разрушаются и превращаются в песок и глину. Химические вещества окисляются, например железо ржавеет. При их горении образуются газообразные продукты и вода, которые выделяются в атмосферу.
Основное отличие между обменом веществ в неживой и живой природе заключается в том, что обмен веществ в неживой природе приводит к уничтожению, разрушению вещества, породы. Живые же организмы, благодаря метаболизму, создают новые вещества, живут и воспроизводят себе подобных.
Обмен веществ и энергии состоит из двух взаимосвязанных и противоположных процессов — ассимиляции и диссимиляции.
Значение АТФ в обмене веществ
В отличие от круговорота веществ, круговорота энергии в живых системах не происходит. Организмам для жизнедеятельности постоянно необходима энергия. Единственным ее источником на Земле является солнце. Солнечная энергия аккумулируется растениями в процессе фотосинтеза, в результате чего она превращается в энергию химических связей молекул органических веществ.
Все остальные организмы используют готовые органические вещества. В процессе жизнедеятельности они расщепляют эти вещества, и энергия высвобождается. Она частично преобразуется, накапливается и в дальнейшем используется вновь в процессе пластического обмена на синтез органических веществ, специфичных для каждого организма. При этом клетка или организм постоянно теряет часть энергии, которая выделяется в виде тепла. Поэтому для существования жизни на Земле необходим постоянный приток энергии.
Одним из ключевых веществ, которое способно преобразовывать энергию солнечного света в энергию химических связей органических веществ, а далее вновь накапливать и передавать для синтеза новых веществ, является АТФ (рис. 2). В двух макроэргических связях ее молекул накапливается в 2,5 раза больше энергии, чем в обычных связях. Клетка использует эту запасенную энергию на различные процессы: биосинтез собственных органических веществ, движение, деление, передачу нервных импульсов и т. д. АТФ — основное вещество, которое обеспечивает функционирование клетки, запасает энергию в процессе энергетического обмена и выделяет в процессе пластического обмена. Ее синтез происходит на кристах митохондрий. Молекулы этого вещества легко и быстро способны доставлять энергию в любую часть клетки. АТФ является ключевым веществом обменных процессов и универсальным источником энергии в клетках, тканях и организмах.
Рис. 2. Строение молекулы АТФ: 1 — аденин; 2 — рибоза
Типы обмена веществ
Факторы внешней среды имеют различное значение для разных организмов. Растениям для роста и развития необходимы свет, вода, углекислый газ, минеральные вещества. Животным и грибам таких условий недостаточно. Им необходимы готовые питательные органические вещества, а свет для существования некоторых из них не является необходимым условием. По способу питания, источнику получения органических веществ и энергии все организмы делятся на автотрофные и гетеротрофные.
Автотрофные организмы
(от греч. autós — сам и trophé — питание) синтезируют органические вещества из неорганических.
Фотоавтотрофы
используют энергию солнечного света в процессе фотосинтеза. К ним относятся все растения и фотосинтезирующие цианобактерии.
Хемоавтотрофы
используют энергию, которая выделяется при окислении неорганических веществ (серы, железа, азота) в процессе хемосинтеза. К ним относятся хемосинтезирующие бактерии.
Гетеротрофные организмы
(от греч. héteros — иной, другой) получают готовые органические вещества от автотрофов. Источником энергии для них является запасенная в органических веществах энергия, которая выделяется при химических реакциях распада и окисления этих веществ. К ним относятся животные, грибы, многие бактерии.
Процесс автотрофной ассимиляции осуществляется за счет энергии солнечного света или окисления неорганических веществ, а органические вещества синтезируются при этом из неорганических. В зависимости от поглощения неорганического вещества различают ассимиляцию углерода, ассимиляцию азота, ассимиляцию серы и других минеральных веществ. Автотрофная ассимиляция связана с процессами фотосинтеза и хемосинтеза, в результате которых из неорганических веществ синтезируются органические. Этот процесс носит название
первичного синтеза
органических веществ.
При гетеротрофной ассимиляции организм поглощает органические вещества в готовом виде и преобразует их в собственные органические вещества за счет энергии, содержащейся в поглощенных веществах. Гетеротрофная ассимиляция включает процессы потребления пищи, переваривания ее, усвоения и синтеза новых органических веществ. Этот процесс называется
Взаимосвязь реакций обмена веществ у автотрофных и гетеротрофных организмов
Через процессы обмена веществ автотрофные и гетеротрофные организмы в природе связаны между собой.
Самыми важными в природе группами организмов являются автотрофы, которые способны синтезировать органические вещества из неорганических. Большинство автотрофов — зеленые растения, которые в процессе фотосинтеза превращают неорганический углерод — углекислый газ — в сложные органические соединения. Зеленые растения выделяют при фотосинтезе кислород, который необходим для дыхания живых существ.
Гетеротрофы усваивают только готовые органические вещества, получая энергию при их расщеплении. Автотрофные и гетеротрофные организмы связаны между собой процессами обмена веществ и энергией. Фотосинтез является практически единственным процессом, обеспечивающим организмы питательными веществами и кислородом.
Несмотря на огромные масштабы фотосинтеза, зеленые растения Земли используют всего 1 % солнечной энергии, падающей на листья.
В последние годы особое внимание привлекает к себе одноклеточная водоросль хлорелла, которая содержит до 6 % хлорофилла и обладает замечательной способностью усваивать до 20 % солнечной энергии. При искусственном разведении хлорелла быстро размножается, а в ее клетке повышается содержание белка. Этот белок используется в качестве пищевых добавок ко многим продуктам. Установлено, что с 1 га водной поверхности можно получать ежедневно до 700 кг сухого вещества хлореллы. Кроме того, в хлорелле синтезируется большое количество витаминов.
Вопросы и задания для самоконтроля
1. Какие две группы реакций составляют обмен веществ?
2. Охарактеризуйте процессы пластического и энергетического обмена.
3. За счет какой энергии идет синтез молекулы АТФ?
4. Назовите основной источник энергии на Земле. Как аккумулируется эта энергия?
5. Почему АТФ можно назвать ключевым источником энергии в реакциях обмена веществ?
