§ 20. Общая характеристика обмена веществ и преобразования энергии

1. Какие понятия пропущены в биологических «уравнениях» и заменены вопросительными знаками?

Анаболизм + катаболизм = метаболизм
Ассимиляция + диссимиляция = метаболизм
Обмен веществ = пластический обмен + энергетический обмен

2. Что такое катаболизм? Анаболизм? Приведите примеры процессов катаболизма и анаболизма.

Катаболизм – процесс расщепления сложных органических соединений до более простых веществ, который сопровождается выделением (высвобождением) энергии химических связей расщепляемых соединений. К процессу катаболизма относятся брожение и клеточное дыхание.

Анаболизм – совокупность реакций синтеза сложных органических соединений из более простых веществ. Реакции анаболизма идут с затратами (поглощением) энергии. Процессами анаболизма являются: фотосинтез, биосинтез ДНК (репликация), биосинтез РНК, белков, липидов, полисахаридов и т.д.

3. В каких случаях процессы энергетического обмена в организме преобладают над процессами пластического обмена и наоборот?

Например, в молодых организмах преобладают процессы пластического обмена, благодаря чему обеспечивается запасание веществ, интенсивный рост и развитие организма. В старом организме, как правило, преобладают процессы энергетического обмена. То же самое наблюдается при высоких физических нагрузках и недостатке питательных веществ.

Интенсивность процессов энергетического и пластического обмена регулируется нервной системой и гормонами. Например, адреналин сдвигает баланс в сторону энергетического обмена, а инсулин и соматотропин (гормон роста) – в сторону пластического обмена.

4. Приведите примеры преобразования энергии в живом организме.

Например, при расщеплении питательных веществ высвобождается энергия, заключённая в их химических связях. Часть этой энергии рассеивается в виде тепла (т.е. преобразуется в тепловую), другая часть запасается в виде молекул АТФ. Работа мышц сопровождается преобразованием энергии макроэргических связей АТФ в механическую и тепловую энергию. В процессе фотосинтеза происходит преобразование световой энергии в энергию химических связей органических веществ.

5. Докажите справедливость утверждения: «Катаболизм и анаболизм — две взаимосвязанные стороны единого процесса обмена веществ и преобразования энергии».

Вещества, образующиеся в ходе катаболизма, могут использоваться в анаболизме – для синтеза более сложных органических веществ. И наоборот, продукты анаболизма могут подвергаться расщеплению и служить источником энергии в процессах катаболизма. АТФ, которая образуется в ходе катаболизма, расщепляется до АДФ и H₃PO₄ и служит источником энергии для реакций анаболизма.

Таким образом, катаболизм и анаболизм – две взаимосвязанные стороны единого процесса обмена веществ и преобразования энергии в живых организмах.

6. Суточная норма углеводов для взрослого человека составляет 5—8 г на 1 кг массы тела (в зависимости от энергетических затрат организма). При окислении 5 г углеводов выделяется около 88 кДж энергии, что достаточно для нагревания 1 кг тела человека от температуры 36,6 °С до 62 °С. Попробуйте самостоятельно произвести этот несложный расчет на основании знаний, полученных при изучении физики. Учтите, что средняя удельная теплоемкость человеческого тела 3,47 кДж/(кг °С). К чему могло бы привести разогревание клеток тела человека до такой температуры? Как вы думаете, почему этого на самом деле не происходит?

Формула расчёта количества теплоты:

Q = cm (t₂ – t₁),

где Q – количество теплоты, с – удельная теплоёмкость, m – масса тела, t₂ и t₁ – конечная и начальная температуры соответственно.

В нашем случае Q = 88 кДж, с = 3,47 кДж/(кг • ºС), m = 1 кг, t₁ = 36,6ºС.

Рассчитаем, на сколько градусов Цельсия могла бы повыситься температура тела человека:

t₂ – t₁ = Q / cm = 88 кДж : (3,47 кДж/(кг • ºС) × 1 кг) ≈ 25,36ºС.

Найдём конечную температуру тела человека:

t₂ ≈ 36,6ºС + 25,36ºС ≈ 62ºС.

Разогревание клеток тела человека до такой температуры привело бы к денатурации большинства белков, прекращению ферментативных процессов, частичному плавлению ДНК и в конечном итоге, к гибели клеток. Однако на самом деле этого не происходит, т.к. процесс расщепления и окисления углеводов осуществляется постепенно, поэтапно, и лишь часть высвобождаемой энергии преобразуется в тепловую, а другая часть запасается в макроэргических связях молекул АТФ.