Обмен веществ и энергии в клетке: полный разбор для ЕГЭ по биологии

Пластический обмен (анаболизм) — совокупность реакций синтеза органических веществ из более простых с затратой энергии АТФ. Примеры: фотосинтез, хемосинтез, биосинтез белка. Энергетический обмен (катаболизм) — совокупность реакций расщепления сложных органических веществ до простых с выделением энергии, часть которой запасается в виде АТФ.

Эти два процесса неразрывно связаны: энергия, полученная в катаболизме, используется для реакций анаболизма. В ЕГЭ часто спрашивают, какие процессы относятся к тому или иному типу обмена. Например, синтез белка — пластический, а гликолиз — энергетический.

Энергетический обмен включает три этапа: подготовительный, бескислородный (гликолиз) и кислородный (цикл Кребса и окислительное фосфорилирование).

Подготовительный этап происходит в пищеварительном тракте или лизосомах: сложные органические вещества расщепляются до мономеров (белки до аминокислот, углеводы до глюкозы, жиры до глицерина и жирных кислот). Энергия рассеивается в виде тепла.

Гликолиз — бескислородный этап, протекает в цитоплазме. Одна молекула глюкозы (C6H12O6) расщепляется до двух молекул пировиноградной кислоты (ПВК, C3H4O3) с образованием 2 молекул АТФ и 2 молекул НАДН. Суммарное уравнение: C6H12O6 + 2НАД+ + 2АДФ + 2Фн → 2C3H4O3 + 2НАДН + 2Н+ + 2АТФ + 2H2O.

Кислородный этап включает цикл Кребса (в матриксе митохондрий) и окислительное фосфорилирование (на кристах митохондрий). ПВК окисляется до ацетил-КоА, затем в цикле Кребса происходит полное окисление до CO2, образуются НАДН, ФАДН2 и 1 молекула ГТФ (равноценна АТФ). На этапе окислительного фосфорилирования НАДН и ФАДН2 окисляются, а энергия идёт на синтез АТФ (34 молекулы АТФ из одной молекулы глюкозы). Суммарно при полном окислении глюкозы образуется 38 молекул АТФ (2 из гликолиза + 2 из цикла Кребса + 34 из окислительного фосфорилирования).

Фотосинтез — процесс синтеза органических веществ из CO2 и H2O с использованием энергии света. Протекает в хлоропластах. Делится на световую и темновую фазы.

Световая фаза происходит на мембранах тилакоидов. Под действием света происходит фотолиз воды: 2H2O → 4H+ + 4e- + O2. Электроны поступают в электрон-транспортную цепь, энергия идёт на синтез АТФ (фотофосфорилирование) и восстановление НАДФ+ до НАДФН. Побочный продукт — кислород, выделяющийся в атмосферу.

Темновая фаза (цикл Кальвина) происходит в строме хлоропласта. Используя АТФ и НАДФН, из CO2 синтезируется глюкоза. Суммарное уравнение фотосинтеза: 6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2. В ЕГЭ важно знать, что кислород выделяется из воды, а углерод из CO2 входит в состав глюкозы.

Хемосинтез — процесс синтеза органических веществ за счёт энергии, полученной при окислении неорганических соединений. Осуществляется хемосинтезирующими бактериями (нитрифицирующими, серобактериями, железобактериями и др.). В ЕГЭ часто спрашивают сравнение фотосинтеза и хемосинтеза. Общее: оба процесса пластического обмена, синтезируется глюкоза. Различия: источник энергии (свет vs химическая энергия), выделение кислорода (только при фотосинтезе), участие хлорофилла (только при фотосинтезе). Пример хемосинтеза: нитрифицирующие бактерии окисляют аммиак до азотистой кислоты, получая энергию для синтеза органики.

Биосинтез белка — процесс синтеза полипептидной цепи на основе информации, закодированной в ДНК. Включает два этапа: транскрипцию и трансляцию.

Транскрипция — синтез иРНК на матрице ДНК. Происходит в ядре. Фермент РНК-полимераза присоединяется к промотору и синтезирует иРНК по принципу комплементарности (А-У, Т-А, Г-Ц, Ц-Г). Затем иРНК выходит в цитоплазму.

Трансляция — синтез полипептида на рибосомах. иРНК служит матрицей. тРНК доставляют аминокислоты, антикодон тРНК комплементарен кодону иРНК. Рибосома движется по иРНК, соединяя аминокислоты пептидной связью. Трансляция заканчивается на стоп-кодоне. Важно помнить, что генетический код триплетен, универсален, вырожден. В задачах ЕГЭ часто требуется определить последовательность аминокислот по фрагменту ДНК или иРНК.