Реферат на тему «Ассимиляция и диссимиляция»

Введение

Взрослый человек за год съедает несколько сотен килограммов пищи, но его масса при этом почти не меняется. Куда девается съеденное, всерьёз выясняли физиологи XIX века, и ответ оказался не таким очевидным, как кажется: большая часть пищи окисляется в клетках, отдавая энергию, а меньшая идёт на обновление тканей, в которых одни молекулы непрерывно заменяются другими. Этот круговорот веществ внутри организма и называют обменом веществ, или метаболизмом, от греческого слова, означающего перемену.

В обмене веществ различают две стороны. Ассимиляция, или пластический обмен, объединяет реакции, в которых из простых веществ строятся сложные, причём на это уходит энергия. Диссимиляция, или энергетический обмен, включает расщепление сложных веществ до простых, и при этом энергия освобождается. В биохимии те же понятия обозначают словами «анаболизм» и «катаболизм», а в школьном курсе общей биологии обычно пользуются русскими терминами.

От соотношения этих процессов зависит, растёт организм или теряет массу, хватает ли ему сил для работы, как он переносит болезнь и голод. На знании обмена построены нормы питания детей и спортсменов, лечение сахарного диабета, а также очень старые технологии брожения, без которых не было бы ни хлеба, ни кефира. Поэтому тема входит и в школьную программу 9–11 классов, и в курсы биологии и биохимии в колледжах.

В реферате сначала рассмотрено понятие обмена веществ и устройство обеих его сторон, затем показано, как ассимиляция и диссимиляция связаны друг с другом через АТФ и как меняется их соотношение в течение жизни. Материал изложен по школьным учебникам общей биологии и по вузовским руководствам по биохимии, указанным в списке источников.

Глава 1. Обмен веществ и две его стороны

1.1 Понятие обмена веществ

Обменом веществ называют совокупность химических превращений, которые происходят в организме с момента поступления веществ из внешней среды до выделения конечных продуктов. Он идёт в каждой клетке, и в нём участвуют тысячи реакций, почти для каждой из которых существует свой белок-фермент. Именно непрерывный обмен с внешней средой биологи XIX века стали считать главным признаком, отличающим живое тело от неживого. Без ферментов эти реакции при температуре тела шли бы так медленно, что жизнь была бы невозможна.

Обмен веществ неотделим от превращения энергии. Растения получают её от Солнца, животные и грибы из химических связей пищи, а некоторые бактерии из окисления неорганических соединений. В клетке энергия запасается не в свободном виде, а в форме молекул аденозинтрифосфата, или АТФ, которые служат своего рода универсальной разменной монетой. Когда клетке нужно что-то построить, сократить мышечное волокно или перенести вещество через мембрану, она расходует АТФ, а при расщеплении пищи снова его накапливает.

Основные различия между двумя сторонами обмена удобно свести в таблицу. В ней сопоставлены их суть, направление превращений, энергетический результат и типичные примеры.

Таблица 1 — Сравнение ассимиляции и диссимиляции

Из таблицы видно, что два процесса противоположны почти по каждому признаку. При этом ни один из них не может идти без другого, и именно это единство противоположностей лежит в основе жизни клетки.

1.2 Ассимиляция, или пластический обмен

В ходе ассимиляции организм строит собственные вещества: белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты. Из них состоят мембраны и органоиды клеток, ферменты и гормоны, запасные вещества вроде крахмала у растений и гликогена у животных. Даже взрослый человек, который уже не растёт, постоянно обновляет свои ткани, поэтому ассимиляция идёт в нём всю жизнь.

Способ ассимиляции зависит от того, откуда организм берёт углерод. Автотрофы, к которым относятся зелёные растения и часть бактерий, синтезируют органические вещества из углекислого газа и воды. Гетеротрофы, то есть животные, грибы и большинство бактерий, так не умеют и получают готовые органические вещества с пищей, а затем перестраивают их в собственные. Белок мяса, например, в желудке и кишечнике распадается на аминокислоты, и уже из них клетки человека собирают свои белки.

Самый масштабный процесс ассимиляции на Земле — фотосинтез. В хлоропластах растений энергия света используется, чтобы из шести молекул углекислого газа и шести молекул воды получить молекулу глюкозы, а побочным продуктом становится кислород. Суммарно это записывают уравнением 6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂. Почти весь кислород атмосферы и почти всё органическое вещество, которым питаются животные, имеют фотосинтетическое происхождение.

Некоторые бактерии обходятся без света. В 1887 году русский микробиолог С. Н. Виноградский открыл хемосинтез, при котором энергию для синтеза органических веществ даёт окисление неорганических соединений: аммиака, сероводорода, соединений железа. Хемосинтезирующие нитрифицирующие бактерии участвуют в круговороте азота в почве, а серобактерии составляют основу целых сообществ вокруг глубоководных гидротермальных источников, куда солнечный свет не проникает.

Ещё один важный пример пластического обмена — биосинтез белка. Сначала на участке ДНК в ядре синтезируется информационная РНК, этот этап называют транскрипцией. Затем на рибосомах по её последовательности из аминокислот собирается полипептидная цепь, это трансляция. Синтез каждой связи между аминокислотами требует затраты энергии АТФ и ГТФ, и биосинтез белка относится к самым энергоёмким процессам в клетке.

1.3 Диссимиляция, или энергетический обмен

Диссимиляция поставляет энергию для всех остальных процессов. У большинства организмов главным «топливом» служит глюкоза, хотя расщепляться могут также жиры и, при недостатке других веществ, белки. В школьном курсе энергетический обмен у аэробных организмов делят на три этапа: подготовительный, бескислородный и кислородный.

На подготовительном этапе крупные молекулы пищи распадаются на мономеры. Белки превращаются в аминокислоты, полисахариды в глюкозу, жиры в глицерин и жирные кислоты. У животных это происходит в пищеварительном тракте и в лизосомах клеток. Энергии на этом этапе выделяется мало, и она целиком рассеивается в виде тепла, так что АТФ не образуется.

Бескислородный этап, или гликолиз, идёт в цитоплазме. Молекула глюкозы через цепочку из десяти ферментативных реакций расщепляется до двух молекул пировиноградной кислоты, и клетка получает в итоге две молекулы АТФ. Если кислорода не хватает, пировиноградная кислота превращается в молочную, как бывает в мышцах при интенсивной нагрузке, а у дрожжей при брожении образуются этиловый спирт и углекислый газ.

Кислородный этап проходит в митохондриях. Пировиноградная кислота окисляется в цикле Кребса до углекислого газа, а освободившиеся электроны передаются по дыхательной цепи на кислород, и энергия этого переноса идёт на синтез АТФ. По данным, принятым в школьных учебниках, на этом этапе образуется 36 молекул АТФ, а всего при полном окислении молекулы глюкозы 38. Как распределяется выход энергии по этапам, показано на рисунке 1.

Рисунок наглядно объясняет, почему клеточное дыхание выгоднее брожения. Аэробный организм получает из одной молекулы глюкозы почти в двадцать раз больше энергии, чем анаэробный, и поэтому может вести более активную жизнь. Следует оговорить, что в современной биохимической литературе с учётом затрат на перенос веществ через мембраны митохондрий выход оценивают несколько ниже, примерно в 30–32 молекулы АТФ, однако соотношение этапов от этого не меняется. Дрожжи и молочнокислые бактерии при брожении довольствуются двумя молекулами АТФ, зато могут жить там, где кислорода нет совсем.