Что такое обмен веществ в клетке
Обмен веществ, или метаболизм, — это все превращения веществ и энергии в живой клетке. Клетка берёт вещества из среды, перестраивает их, строит из них свои молекулы и выводит всё ненужное. Без этого она не растёт, не делится и не работает.
Процессы обмена веществ в клетке делят на две связанные половины:
- Пластический обмен (ассимиляция, анаболизм): из простых веществ строятся сложные, энергия тратится. Примеры: синтез белка на рибосомах, репликация ДНК, фотосинтез.
- Энергетический обмен (диссимиляция, катаболизм): сложные вещества расщепляются, а энергия запасается в молекулах АТФ.
Эти половины зависят друг от друга. Пластический обмен создаёт белки-ферменты и компоненты мембран, а энергетический поставляет АТФ для любого синтеза. Из чего именно строятся эти молекулы, рассказано в теме химический состав клетки.
Продукты обмена веществ в клетках организма зависят от типа клетки. Это углекислый газ, вода, у человека ещё и азотистые соединения, например мочевина. У растений при фотосинтезе выделяется кислород.
Энергетический обмен веществ в клетке: три этапа
В школьной программе энергетический обмен делят на три этапа.
- Подготовительный. В пищеварительном тракте и в лизосомах клетки полимеры распадаются до мономеров: белки до аминокислот, жиры до глицерина и жирных кислот, полисахариды до глюкозы. Энергия выделяется только в виде тепла, АТФ не образуется. Как это происходит в организме человека, разбирает тема пищеварение и обмен веществ.
- Бескислородный (гликолиз). Идёт в цитоплазме. Молекула глюкозы распадается на 2 молекулы пировиноградной кислоты, образуется 2 АТФ.
- Кислородный. Идёт в митохондриях. Пировиноградная кислота окисляется до CO₂ и H₂O, образуется 36 АТФ.
В сумме при полном расщеплении одной молекулы глюкозы получается 38 АТФ (2 + 36). Если кислорода нет, процесс останавливается на гликолизе и переходит в брожение: клетка получает только 2 АТФ, а конечным продуктом становится молочная кислота или спирт с углекислым газом.
Обмен веществ в растительной клетке и роль органоидов
В растительной клетке идут оба вида обмена. В хлоропластах происходит фотосинтез, в митохондриях дыхание. В животной клетке хлоропластов нет, поэтому она получает органические вещества только готовыми.
Фотосинтез состоит из двух фаз:
- Световая фаза идёт на мембранах тилакоидов. Свет возбуждает электроны хлорофилла, вода расщепляется (фотолиз), выделяется кислород, образуются АТФ и НАДФ-Н₂.
- Темновая фаза идёт в строме хлоропласта. Углекислый газ связывается, а из него с помощью АТФ и НАДФ-Н₂ синтезируется глюкоза.
Более подробно процесс описан в теме жизнедеятельность растений.
Обмен веществ в органоидах клетки распределён так:
- ядро: хранение ДНК, транскрипция;
- рибосомы: трансляция, сборка белка;
- митохондрии: кислородный этап дыхания, синтез АТФ;
- хлоропласты: фотосинтез;
- лизосомы: расщепление веществ;
- цитоплазма: гликолиз.
Устройство каждого органоида подробно описано в теме строение клетки.
Как решить задачу на биосинтез белка
Чаще всего в заданиях по теме нужно пройти путь ДНК → иРНК → белок. Разберём задачу с другими данными.
Условие. Цепь ДНК: ТАЦ-ГЦА-ААА-ЦТТ. Найдите иРНК, антикодоны тРНК и аминокислоты белка.
Шаг 1. Транскрипция. Строим иРНК по правилу комплементарности: А–У, Т–А, Г–Ц, Ц–Г. В РНК вместо тимина стоит урацил.
ТАЦ-ГЦА-ААА-ЦТТ → АУГ-ЦГУ-УУУ-ГАА
Шаг 2. Антикодоны тРНК. Они комплементарны кодонам иРНК: УАЦ-ГЦА-ААА-ЦУУ.
Шаг 3. Трансляция. По таблице генетического кода находим аминокислоты для кодонов иРНК:
- АУГ: метионин;
- ЦГУ: аргинин;
- УУУ: фенилаланин;
- ГАА: глутаминовая кислота.
Ответ. иРНК: АУГ-ЦГУ-УУУ-ГАА; белок: мет-арг-фен-глу.
Если задача обратная, например по аминокислотам нужно найти ДНК, идёшь тем же путём назад: по таблице подбираешь кодоны иРНК, затем строишь комплементарную цепь ДНК.
Где ошибаются чаще всего
- Тимин в РНК. В иРНК нет тимина, вместо него урацил. Если в ответе на иРНК стоит Т, задача решена неверно.
- Таблица кода читается по иРНК. Кодоны в таблице записаны для иРНК. Искать аминокислоты по триплетам ДНК нельзя, сначала нужно построить иРНК.
- Кодон и антикодон. Кодон находится на иРНК, антикодон на тРНК, и они комплементарны. Антикодон не совпадает с кодоном и не совпадает с триплетом ДНК.
- Этапы дыхания. Гликолиз идёт в цитоплазме и даёт 2 АТФ, а 36 АТФ образуются в митохондриях. Эти числа часто путают.
- Мутации. Замена одного нуклеотида меняет не больше одной аминокислоты, а иногда не меняет ни одной, потому что код избыточен. Нужно сравнить белок до и после замены, а не просто написать, что «белок изменился».
Какие задания присылают ученики
По этой теме на сайте собраны задания 9–10 классов. Чаще всего это задачи на транскрипцию и трансляцию, определение белка по участку ДНК и обратная задача по аминокислотам, мутации в гене и замены нуклеотидов в иРНК. Реже встречаются схемы биосинтеза белка и репликации, последовательность этапов фотосинтеза, тесты с отметкой верных высказываний и задания «закончите предложения». Есть и задачи повышенной сложности, например про регуляцию транскрипции у бактерий.
Найди в списке выше задание, похожее на своё, и посмотри ход решения. Если подходящего нет, сфотографируй своё задание и получи решение с пояснениями по шагам. Задачи на мутации близки к теме генетика и селекция.