Объясните, как связаны обмен веществ и обмен энергии.

Связь прямая: обмен веществ (метаболизм) — это все химические реакции в клетке и организме, а обмен энергии — это то, как в ходе этих реакций энергия высвобождается, накапливается, передаётся и рассеивается. По сути, энергия «течёт» через систему именно благодаря превращениям веществ.

Две стороны метаболизма и их энергетика

1. Катаболизм — распад сложных молекул (полисахаридов, липидов, белков) до более простых (CO₂, H₂O, NH₃).

   • Это в целом экзергонические реакции (ΔG < 0): они высвобождают энергию.

   • Эта энергия не теряется целиком в виде тепла: значительная её часть упаковывается в «энергетические валюты» — прежде всего АТФ, а также NADH, FADH₂, NADPH и в виде электрохимического протонного градиента на мембранах.

2. Анаболизм — синтез сложных молекул (ДНК, белков, липидов, полисахаридов) из простых предшественников.

   • Это эндергонические процессы (ΔG > 0): им требуется подвод энергии.

   • Они «питаются» за счёт расщепления АТФ (АТФ → АДФ + Pi, ΔG°’ ≈ −30,5 кДж/моль) и/или восстановительных эквивалентов (NADPH/NADH), а также за счёт уже созданных градиентов.

Механизм «сшивки» вещества и энергии — энергетическое сопряжение

Клетки соединяют реакции распада и синтеза так, чтобы энергия одних непосредственно подталкивала другие. Это достигается несколькими способами:

• АТФ-сопряжение: неблагоприятный процесс (например, образование пептидной связи) идёт вместе с гидролизом АТФ; сумма ΔG становится отрицательной.

• Перенос электронов: при окислении субстратов (глюкозы, жирных кислот) электроны переходят на NAD⁺/FAD → NADH/FADH₂; затем в дыхательной цепи их энергия используется, чтобы накачать протоны через мембрану. Возврат протонов через АТФ-синтазу приводит к синтезу АТФ (оксидативное фосфорилирование).

• Хемиоосмос: электрохимический градиент H⁺ — это форма «упакованной» энергии, которую можно конвертировать в АТФ, транспорт веществ и даже вращение жгутика у бактерий.

• В фотосинтезе световая энергия сначала переводится в форму градиента протонов и NADPH, а уже затем идёт фиксация CO₂ (анаболизм) в сахара.

Баланс и неэффективности

• Ни одна реальная клетка не превращает 100% энергии субстратов в полезную работу: часть всегда рассеивается в виде тепла (вторая термодинамика).

• Поэтому «скорость обмена веществ» (метаболическая мощность) отражается и в обмене энергии: чем интенсивнее катаболизм и анаболизм, тем выше производство/потребление АТФ и тепла.

Итог в одном предложении

Обмен веществ создаёт и использует энергетические носители (АТФ, восстановители, градиенты), а обмен энергии описывает, как именно экзергонические реакции катаболизма обеспечивают энергией эндергонические процессы анаболизма — через механизмы энергетического сопряжения.