Ассимиляция и диссимиляция — противоположные процессы метаболизма. Дать сравнительную характеристику процессов ассимиляции и диссимиляции в клетке и показать их взаимосвязь
Обмен веществ и его типы
Он обеспечивает постоянство внутренней среды организма в изменяющихся условиях существования – гомеостаз . Обмен веществ слагается из двух взаимосвязанных и взаимопротивоположных процессов. Это процессы диссимиляции , в которых происходит расщепление органических веществ и выделенная энергия используется для синтеза молекул АТФ, и процессы ассимиляции, в которых энергия АТФ используется для синтеза собственных, необходимых организму соединений.
Процессы диссимиляции называют, также, катаболизмом и энергетическим обменом . А процессы ассимиляции носят еще названия анаболизма и пластического обмена . Такое обилие синонимов одного и того же понятия возникло потому, что реакции обмена веществ изучали ученые различных специальностей:
- биохимики,
- физиологи,
- цитологии,
- генетики,
- молекулярные биологи.
Но все названия и термины прижились и активно используются учеными.
Формы поступления энергии в живые организмы
Для всех живых организмов Земли Солнце является основным источником энергии. Именно благодаря ему организмы удовлетворяют свои энергетические потребности.
Организмы, которые могут синтезировать органические соединения из неорганических, называются автотрофами. Они разделяются на две группы. Одни способны использовать энергию солнечного света. Это – фотосинтетики или фототрофы. В основном это - зеленые растения, цианобактерии (сине-зеленые водоросли).
Другая группа автотрофов использует энергию, которая освобождается во время химических реакций. Такие организмы называются хемотрофами или хемосинтетиками.
Грибы, большая часть животных и бактерий не могут сами синтезировать органические вещества. Такие организмы называются гетеротрофами. Для них источником энергии служат органические соединения, синтезированные автотрофами. Энергия используется живыми организмами для химических, механических, тепловых и электрических процессов.
Подготовительный этап энергетического обмена
Энергетический обмен принято условно разделять на три основных этапа. Первый этап назвали подготовительным. На этом этапе макромолекулы под воздействием ферментов расщепляются до мономеров. В ходе реакций происходит выделение довольно незначительного количества энергии, которое рассеивается в виде тепла.
Бескислородный этап энергетического обмена
Бескислородный (анаэробный) этап энергетического обмена происходит в клетках. Мономеры, которые образовались на предыдущем этапе (глюкоза, глицерин и т.п.), подвергаются дальнейшему многоступенчатому расщеплению без доступа кислорода. Главным на этом этапе является процесс расщепления молекулы глюкозы на молекулы пировиноградной или молочной кислоты с образованием двух молекул АТФ.
$C_6H_{12}O_6 + 2H_3PO_4 + 2АДФ → 2C_3H_6O_3 + 2АТФ + 2H_2O$
В ходе этой реакции (реакция гликолиза) выделяется около $200$ кДж энергии. Однако она не вся превращается в тепло. Часть ее используется для синтеза двух, богатых на энергию (макроэргических), фосфатных связей в молекулах АТФ. Глюкоза также расщепляется в ходе спиртового брожения.
$C_6H_{12}O_6 + 2H_3PO_4 + 2АДФ → 2C_2H_5OH + 2CO_2 + 2АТФ + 2H_2O$
Кроме спиртового существуют еще такие виды бескислородного брожения, как маслянокислое и молочнокислое.
Кислородный этап энергетического обмена
На этом этапе соединения, образованные на бескислородном этапе, окисляются до конечных продуктов реакции – углекислого газа и воды. Английский биохимик Адольф Кребс в $1937$ году открыл последовательность превращений органических кислот в матриксе митохондрий. В его честь совокупность этих реакций назвали циклом Кребса.
Замечание 1
Полное окисление молекул молочной или пировиноградной кислоты, образованных в ходе анаэробного процесса, до углекислого газа и воды сопровождается выделением $2800$ кДЖ энергии. Этого количества хватит на синтез $36$ молекул АТФ (в $18$ раз больше, чем на предыдущем этапе).
Суммарное уравнение кислородного этапа энергетического обмена выглядит так:
$2C_3H_6O_3 + 6O_2 + 36АДФ + 36H_3PO_4 → 6CO_2 + 42H_2O + 36АТФ$
Подводя общий итог, можно записать суммарное уравнение энергетического обмена:
$C_6H_{12}O_6 + 6O_2 + 38АДФ + 38H_3PO_4 → 6CO_2 + 44H_2O + 38АТФ$
На завершающей стадии происходит выведение продуктов метаболизма из организма.
ПЛАН-КОНСПЕКТ УРОКА
Тема: Ассимиляция и диссимиляция. Метаболизм.
ФИО Муратова Гульназ Раушановна
Место работы МБОУ «Нижнебишевская СОШ»
Должность учитель биологии
Предмет биология
6. Базовый учебник Биология. Введение в общую биологию и экологию. 9 класс: учеб. для общеобразовательных учреждений / А.А. Каменский,Е.А. Криксунов, В.В. Пасечник.- 11-е изд., стереотип.- М.: Дрофа, 2010
Цель урока:
Познакомить учащихся с понятием «обмен веществ в организме», ассимиляция, диссимиляция, метаболизм.
Задачи урока:
Образовательные: конкретизировать знания об обмене веществ (метаболизме) как свойстве живых организмов, познакомить с двумя сторонами обмена, выявить общие закономерности метаболизма; установить связь пластического и энергетического обмена на разных уровнях организации живого и их связь с окружающей средой.
Развивающие:формировать умение выделять сущность процесса в изучаемом материале; обобщать и сравнивать, делать выводы; работать с текстом, схемами, другими источниками;
реализация творческого потенциала учащихся, развитие самостоятельности.
Воспитательные: используя приобретенные знания, понимать перспективы практического использования фотосинтез; понимать влияние обмена веществ на сохранение и укрепление здоровья.
Оборудование: компьютер, проектор, презентация.
Тип урока: изучение нового материала.
Формы работы учащихся: самостоятельная работа с учебником, индивидуальная работа у доски, фронтальная работа.
Ход урока
Организационный момент.
II . Повторение материала
Проверка правильности заполнения таблицы «Сравнение строения клеток эукариот и прокариот». (Ответ учащегося у доски.)
Фронтальная беседа по вопросам:
Какую роль выполняет спора у прокариот? Чем она отличается от спор эукариот?
Сравнивая строение и процессы жизнедеятельности эукариот и прокариот, выделите признаки, позволяющие предположить, какие клетки исторически более древние, а какие - более молодые.
Что такое ферменты? Какова их роль в организме?
Что такое обмен веществ? Приведите примеры обмена веществ в организме.
III. Изучение нового материала .
Задание: сравните два определения, найдите, есть ли в них отличие или они сходны. Чем вы это можете объяснить?
Обмен веществ складывается из двух взаимосвязанных процессов – анаболизма и катаболизма.
1. В ходе ассимиляции происходит биосинтез сложных молекул из простых молекул-предшественников или из молекул веществ, поступивших из внешней среды.
2. Важнейшими процессами ассимиляции являются синтез белков и нуклеиновых кислот (свойственный всем организмам) и синтез углеводов (только у растений, некоторых бактерий и цианобактерий).
3. В процессе ассимиляции при образовании сложных молекул идет накопление энергии, главным образом в виде химических связей.
1. При разрыве химических связей в молекулах органических соединений энергия высвобождается и запасается в виде АТФ.
2. Синтез АТФ у эукариот происходит в митохондриях и хлоропластах, а у прокариот – в цитоплазме, на мембранных структурах.
3. Диссимиляция обеспечивает все биохимические процессы в клетке энергией.
Всем живым клеткам постоянно нужна энергия, необходимая для протекания в них различных биологических и химических реакций. Одни организмы для этих реакций используют энергию солнечного света (при фотосинтезе), другие – энергию химических связей органических веществ, поступающих с пищей. Извлечение энергии из пищевых веществ осуществляется в клетке путем их расщепления и окисления кислородом, поступающим в процессе дыхания. Поэтому этот процесс называют биологическим окислением , или клеточным дыханием .
Биологическое окисление с участием кислорода называют аэробным , без кислорода – анаэробным . Процесс биологического окисления идет многоступенчато. При этом в клетке происходит накопление энергии в виде молекул АТФ и других органических соединений.
IV. Закрепление изученного материала.
Что такое ассимиляция? Приведите примеры реакций синтеза в клетке.
Что такое диссимиляция? Приведите примеры реакций распада в клетке.
Докажите, что ассимиляция и диссимиляция - две стороны единого процесса обмена веществ и энергии - метаболизма.
Задание. Установите соответствие между процессами, протекающими в клетках организмов, и их принадлежностью к ассимиляции или диссимиляции:
| Процессы, протекающие в клетках | Обмен веществ |
|
| 1. Испарение воды 2. Дыхание 3. Расщепление жиров 4. Биосинтез белков 5. Фотосинтез 6. Расщепление белков | 7.Расщепление 8. Биосинтез жиров 9.Синтез 10. Хемосинтез | А – ассимиляция Б – диссимиляция |
Ответ: 1 – Б, 2 – Б, 3 – Б, 4 – А, 5 – А, 6 – Б, 7 – Б, 8 – А, 9 – А, 10 – А.
Домашнее задание: Изучить § 2.8 «Ассимиляция и диссимиляция. Метаболизм», ответить на вопросы в конце параграфа, повторить § 1.7.
Значение питательных веществ
Во всех живущих ныне организмах, от самых примитивных до самого сложного - человеческого организма, - обмен веществ и энергии - основа жизни.
В организме человека, в его органах, тканях, клетках идет непрерывный процесс созидания, образования сложных веществ. Одновременно с этим происходит распад, разрушение сложных органических веществ, входящих в состав клеток организма.
Работа органов сопровождается непрерывным их обновлением: одни клетки погибают, другие их заменяют. У взрослого человека в течение суток гибнет и заменяется 1/20 кожного эпителия, половина всех клеток эпителия пищеварительного тракта, около 25 г крови и т. д.
Рост, обновление клеток организма возможны только в том случае, если в организм непрерывно поступают кислород и питательные вещества. Питательные вещества - тот строительный, пластический материал, из которого строится живое.
Для построения новых клеток организма, их непрерывного обновления, для работы таких органов, как сердце, желудочно-кишечный тракт, дыхательный аппарат, почки и т. д., а также для совершения человеком работы нужна энергия. Эту энергию организм получает при распаде веществ клеток в процессе обмена веществ.
Таким образом, питательные вещества, поступающие в организм, служат не только пластическим, строительным материалом, но и источником энергии, так необходимой для жизни.
Под обменом веществ понимают совокупность изменений, которые претерпевают вещества от момента их поступления в пищеварительный тракт до образования конечных продуктов распада, выделяемых из организма.
Ассимиляция и диссимиляция
Обмен веществ представляет собой единство двух процессов: ассимиляции и диссимиляции. В результате процесса ассимиляции сравнительно простые продукты пищеварения, поступая в клетки, подвергаются химическим превращениям с участием ферментов и уподобляются необходимым организму веществам. Диссимиляция - распад сложных органических веществ, входящих в состав клеток организма. Часть продуктов распада вновь используется организмом, часть выводится из организма наружу.
Процесс диссимиляции также идет при участии ферментов. Во время диссимиляции высвобождается энергия. Именно за счет этой энергии строятся новые клетки, обновляются старые, функционирует сердце человека, совершается умственная и физическая работа.
Процессы ассимиляции и диссимиляции неотделимы друг от друга. При усилении процесса ассимиляции, особенно при росте молодого организма, усиливается и процесс диссимиляции.
Превращение веществ
Химические превращения пищевых веществ начинаются в пищеварительном тракте. Здесь сложные белки, жиры и углеводы расщепляются до более простых, способных всосаться через слизистую оболочку кишечника и стать строительным материалом в процессе ассимиляции. В пищеварительном тракте при переваривании высвобождается незначительное количество энергии. Вещества, поступившие в результате всасывания в кровь и лимфу, приносятся в клетки, где и претерпевают основные изменения. Образовавшиеся сложные органические вещества входят в состав клеток и принимают участие в осуществлении их функций. Энергия, освободившаяся при распаде веществ клеток, используется для жизнедеятельности организма. Не использованные организмом продукты обмена различных органов и тканей выделяются из него.
Роль ферментов во внутриклеточном обмене
Основные процессы превращения веществ совершаются внутри клеток нашего тела. Эти процессы лежат в основе внутриклеточного обмена. Решающая роль во внутриклеточном обмене принадлежит многочисленным ферментам клетки. Благодаря их деятельности с веществами клетки происходят сложные превращения, разрываются внутримолекулярные химические связи в них, что приводит к высвобождению энергии. Особое значение здесь приобретают реакции окисления и восстановления. Конечные продукты процессов окисления в клетке - углекислый газ и вода. При участии специальных ферментов осуществляются и другие типы химических реакций в клетке.
Освобождающаяся при этих реакциях энергия используется для построения новых веществ в клетке, для поддержания процессов жизнедеятельности организма. Основным аккумулятором и переносчиком энергии, используемой при многих синтетических процессах, является аденозинтрифосфорная кислота (АТФ). В молекуле АТФ содержатся три остатка фосфорной кислоты. АТФ используется во всех реакциях обмена, требующих затраты энергии. В молекуле АТФ при этом разрывается химическая связь с одним или двумя остатками фосфорной кислоты, освобождая запасенную энергию (отщепление одного остатка фосфорной кислоты приводит к освобождению около 42 000 дж на 1 грамм-молекулу).
оступившие в организм питательные вещества подвергаются сложным изменениям и превращаются в вещества самого организма, его тканей. Процессы образования из простых соединений (поступивших в организм из пищеварительного аппарата) в сложные , а также процессы роста и создания новых клеток и тканей называются пластическими процессами, а усвоение организмом питательных веществ называетсяассимиляцией . Ассимилируя питательные вещества, организм получает вместе с ними запас скрытой энергии.
Эта энергия может служить источником жизнедеятельности тканей. Например,сокращение мышцы происходит за счет скрытой энергии, полученной мышечной тканью вместе с ассимилированными веществами, и зависит от превращения скрытой энергии в механическую; повышение температуры мышцы происходит от превращения скрытой энергии в тепловую.
Одновременно в организме в связи с его работой происходит расщепление веществ, их частичное разрушение, в результате чего сложные вещества распадаются и окисляются до более простых. Процесс распада, разрушения веществ организма носит название диссимиляции . В процессе диссимиляции скрытая энергия превращается в действенную, главным образом механическую и тепловую. При этом в мышцах распадается гликоген и другие вещества и образуются продукты обмена (молочная, фосфорная кислоты и др.). Подвергаясь окончательному окислению, эти продукты обмена превращаются в углекислоту и воду и выделяются организмом.
Некоторая часть продуктов обмена может быть вновь использована организмом. Процессы ассимиляции ведут к накоплению веществ , увеличению их в организме; процессы диссимиляции ведут к уменьшению и трате запасов веществ и энергии .
В процессах ассимиляции и диссимиляции участвуют различные ферменты . Почти все происходящие в организме биологические процессы так или иначе связаны с их деятельностью. Каждый фермент активирует только определенные химические реакции. Сами ферменты образуются также в результате жизнедеятельности клеток и, следовательно, обмена веществ.
Нарушение деятельности ферментов влечет за собой тяжелые последствия для организма, вплоть до его гибели вследствие расстройства обмена веществ.
Ассимиляция и диссимиляция - два противоположных процесса, но оба они неразрывно связаны друг с другом. Если бы в организме прекратились процессы ассимиляции, то через некоторое время диссимиляция привела бы к полному истощению и разрушению тканей.
Вся совокупность процессов превращения веществ, протекающих в организме, включая процессы ассимиляции и диссимиляции, называется обменом веществ.
Клетка как структурная и функциональная единица живого представляет собой открытою систему, т.е. постоянно обменивается веществом и энергией с окружающей средой.
Под клеточным обменом веществ понимают непрерывное поступление веществ в клетку из внешней среды, химическое превращение этих веществ и выделение конечных продуктов химических реакций.
Функции клеточного обмена веществ:
1. Обеспечение клетки строительным материалом, необходимым для образования клеточных структур;
2. Снабжение клетки энергией, которая используется на процессы жизнедеятельности (синтез веществ, транспорт веществ и др.);
3. Сохранение относительного постоянства состава и физико-химических свойств клеток;
4. Самообновление клеток и тканей.
Различают внешний обмен – поглощение и выделение веществ, и внутренний обмен – химическое превращение этих веществ в клетке.
Внутренний обмен, или метаболизм , представляет собой совокупность двух противоположных реакций: анаболический и катаболический.
Анаболические реакции – это реакции синтеза сложных органических веществ из более простых. Протекают они с затратами энергии, обеспечивая постоянство состава клеток и тканей организма. Совокупность этих реакций носит название ассимиляции или пластического обмена . Примером ассимиляции может быть биосинтез белка, синтез углеводов из воды и углекислого газа в процессе фотосинтеза, синтез нуклеотидов, ДНК, РНК, полисахаридов, липидов и других соединений.
Катаболические реакции – это реакции расщепления сложных органических веществ (жиров, белков и углеводов) до более простых с выделением энергии, значительная часть которой идет на образование АТФ. Эти реакции часто называют энергетическим обменом , или диссимиляцией.
Совокупность реакций ассимиляции и диссимиляции составляют основу жизнедеятельности клетки, а, следовательно, ткани, органа и организма вцелом.
| энергетический |
| АТФ-расходуется |
| АТФ образуется |
| АТФ (АДЕНОЗИНТРИФОСФАТ) |
Рис. 5.1. Обмен веществ и АТФ в клетке
АТФ + Н 2 О ↔ АДФ + Н 3 РО 4 + 40 кДж
Не всегда процессы ассимиляции находятся в соответствии с процессами диссимиляции. В период интенсивного роста и развития организма процессы ассимиляции преобладают. Напротив, при старении, интенсивной физической работе, недостатке питательных веществ процессы диссимиляции преобладают над процессами ассимиляции.
Различают автотрофную и гетеротрофную ассимиляцию. При гетеротрофной ассимиляции (животные, грибы) источником энергии служат вещества пищи (химическая энергия), при автотрофной ассимиляции – энергия света используемая для фотосинтеза (рис.5.2.)
Рис.5.2. Обмен веществ и энергии у автотрофных и гетеротрофных клеток
Из рис. 5.2. видно, что существование жизни на Земле зависит от энергии Солнца и сложных ее преобразований в авто- и гетеротрофных клетках организмов. В упрощенном виде поток энергии в живой природе можно представить так:
1. Энергия Солнца → автотрофы → органические вещества → АТФ → различные формы работы.
2. Энергия Солнца → автотрофы → органические вещества → гетеротрофы → АТФ → различные формы работы
Автотрофы – сами синтезируют органические вещества с неорганических.
Гетеротрофы – употребляют готовые органические вещества, синтезированные другими организмами.
Поток энергии в клетке
В основе потока энергии в клетке лежат процессы питания организмов и клеточного дыхания.
1. Питание – процесс приобретения вещества и энергии живыми организмами.
2. Клеточное дыхание – процесс, с помощью которого живые организмы высвобождают энергию из богатых ею органических веществ при их ферментативном расщеплении (диссимиляции) до более простых. Клеточное дыхание может быть аэробным и анаэробным.
3. Аэробное дыхание – получение энергии происходит при участии кислорода в процессе расщепления органических веществ. Его еще называют кислородным (аэробным) этапом энергетического обмена.
Анаэробное дыхание – получение энергии из пищи без использования свободного атмосферного кислорода. В общем виде поток энергии в клетке можно представить следующим образом (рис 5.3.)
| ПИЩА |
| САХАР, ЖИРНЫЕ КИСЛОТЫ, АМИНО-КИСЛОТЫ |
| КЛЕТОЧНОЕ ДЫХАНИЕ |
| АТФ |
| СО 2 , Н 2 О, NH 3 |
| ХИМИЧЕСКАЯ, МЕХАНИЧЕСКАЯ, ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ, ОСМОТИЧЕСКАЯ РАБОТА |
| АДФ + Н 3 РО 4 |
Рис.5.3. Поток энергии в клетке
Химическая работа : биосинтез в клетке белков, нуклеиновых кислот, жиров, полисахаридов.
Механическая работа : сокращение мышечных волокон, биение ресничек, расхождение хромосом при митозе.
Электрическая работа – поддержание разности потенциалов на мембране клетки.
Осмотическая работа – поддержание градиентов вещества в клетке и окружающей ее среде.