Обмен веществ и превращение энергии в клетке — тренажёр для 9 класса

Раздел 1 — Определение

Обмен веществ (метаболизм) — это совокупность всех химических реакций в клетке, обеспечивающая живой организм строительным материалом и энергией. Метаболизм складывается из двух противоположных, но неразрывных процессов: пластического обмена (анаболизма) и энергетического обмена (катаболизма).

Пластический обмен синтезирует сложные вещества из простых с затратой энергии АТФ: белки из аминокислот, глюкозу из углекислого газа, ДНК из нуклеотидов. Энергетический обмен расщепляет сложные вещества до простых, а высвобождаемую энергию запасает в АТФ — аденозинтрифосфорной кислоте, универсальном аккумуляторе клетки.

Связь двух процессов жёсткая: анаболизм не идёт без АТФ, а катаболизм не идёт без ферментов, которые синтезированы анаболизмом. Фотосинтез и биосинтез белка — частные случаи пластического обмена, клеточное дыхание — центральный случай энергетического.

Раздел 2 — Ключевые правила

Энергетический обмен у аэробных организмов проходит три этапа и даёт 38 молекул АТФ на одну молекулу глюкозы.

1. Подготовительный этап идёт в пищеварительном тракте и лизосомах: полимеры распадаются на мономеры (крахмал → глюкоза, белки → аминокислоты). АТФ не образуется, энергия рассеивается теплом.
2. Гликолиз (бескислородный этап) проходит в цитоплазме: одна глюкоза C₆H₁₂O₆ расщепляется до двух молекул пировиноградной кислоты (ПВК) с выходом 2 АТФ.
3. Кислородный этап идёт в митохондриях (цикл Кребса + дыхательная цепь): 2 ПВК окисляются до CO₂ и H₂O, выход — 36 АТФ.
4. Фотосинтез — синтез органических веществ из CO₂ и H₂O за счёт энергии света: 6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂. Световая фаза идёт в мембранах тилакоидов, темновая — в строме хлоропласта.
5. Биосинтез белка идёт в два шага: транскрипция (переписывание гена ДНК на иРНК в ядре) и трансляция (сборка полипептида на рибосоме). Один триплет (кодон) кодирует одну аминокислоту.

Раздел 3 — Разбор примеров

Пример 1. Расщепление 5 молекул глюкозы аэробным путём. Считаем по этапам: гликолиз даёт 5 × 2 = 10 АТФ, кислородный этап — 5 × 36 = 180 АТФ. Итог: 190 АТФ. Вывод: выход АТФ прямо пропорционален числу молекул глюкозы, коэффициент — 38.

Пример 2. Обратная задача. В клетке образовалось 76 АТФ при полном окислении глюкозы. Делим: 76 : 38 = 2 молекулы глюкозы. Из них при гликолизе получилось 2 × 2 = 4 молекулы ПВК. Вывод: число ПВК вдвое больше числа молекул глюкозы.

Пример 3. Сравнение анаэробного и аэробного путей. Мышца при нехватке кислорода останавливается на гликолизе с образованием молочной кислоты: 2 АТФ. При достаточном кислороде та же глюкоза даёт 38 АТФ. Отношение 38 : 2 = 19. Вывод: кислородный этап энергетически эффективнее бескислородного в 19 раз.

Пример 4. Транскрипция и трансляция. Фрагмент матричной цепи ДНК: ААЦ–ГТА–ЦГГ. По принципу комплементарности (А–У, Т–А, Г–Ц, Ц–Г) иРНК: УУГ–ЦАУ–ГЦЦ. Антикодоны тРНК: ААЦ–ГУА–ЦГГ. Девять нуклеотидов = 3 триплета = 3 аминокислоты. Вывод: число аминокислот в белке втрое меньше числа нуклеотидов кодирующего участка.

Пример 5. Фотосинтез. Растение поглотило 12 молекул воды. Фотолиз 2H₂O → 4H⁺ + 4ē + O₂ даёт из 12 молекул воды 6 молекул O₂ — ровно столько, сколько нужно для синтеза одной молекулы глюкозы по суммарному уравнению. Вывод: кислород фотосинтеза происходит из воды, а не из углекислого газа.

Раздел 4 — Таблица

Раздел 5 — Типичные ошибки

Отнесение фотосинтеза к энергетическому обмену. Ошибка возникает из-за слова «энергия света» в определении. Фотосинтез создаёт органическое вещество, то есть строит, — это пластический обмен. Неправильно: «фотосинтез запасает АТФ для клетки». Правильно: «фотосинтез запасает энергию в глюкозе».

Потеря 2 АТФ гликолиза. Ученик пишет «36 АТФ на глюкозу», забывая цитоплазматический этап. Правильно: 2 + 36 = 38 АТФ.

«Темновая фаза идёт ночью». Название сбивает: «темновая» означает лишь независимость от квантов света. Реакции цикла Кальвина требуют АТФ и НАДФ·H из световой фазы, поэтому днём идут интенсивнее.

Перенос трансляции в ядро. Причина — слияние двух этапов в одно «производство белка». Правильно: транскрипция — ядро, трансляция — рибосома в цитоплазме.

Счёт «1 нуклеотид = 1 аминокислота». Правильно: 300 нуклеотидов гена кодируют 100 аминокислот (300 : 3).

Раздел 6 — Пошаговый алгоритм

1. Определите тип процесса: синтез вещества — пластический обмен, расщепление — энергетический.
2. Найдите исходное вещество и его количество (число молекул глюкозы, нуклеотидов, аминокислот).
3. Определите этап или фазу по месту протекания (цитоплазма, митохондрия, тилакоид, рибосома).
4. Запишите уравнение этапа с коэффициентами.
5. Выполните расчёт: ×2 для гликолиза, ×36 для кислородного этапа, ×38 для полного окисления, :3 для перехода «нуклеотиды → аминокислоты».
6. Проверьте размерность и правдоподобие: число ПВК чётное, выход АТФ кратен 38, число нуклеотидов кратно 3.

Раздел 7 — Как запомнить

• «Пластический — пластичный, лепим новое; катаболизм — катится вниз, распад».
• Формула выхода: 2 + 36 = 38 («два в цитоплазме, тридцать шесть в митохондрии»).
• Световая фаза — «вода в свет»: вода расщепляется, вылетает кислород, копятся АТФ и НАДФ·H. Темновая — «газ в сахар».
• Транскрипция — перепись в ядре; трансляция — язык нуклеотидов переводится на язык аминокислот.
• Правило трёх: нуклеотиды : 3 = аминокислоты = тРНК = кодоны.