Сценарий урока "Энергетический обмен в клетке" (1-й класс)

Энергетический обмен в клетке

Семинар, 2 часа

Цели:

1. Учащиеся должны усвоить понятия “гликолиз, цикл Кребса, цепь переноса электронов, окислительное фосфорилирование, молочнокислое и спиртовое брожение, макроэргические связи АТФ, кислородное и бескислородное дыхание, протонный канал, протонный резервуар, принцип Митчела”; знать черты отличия бескислородного и кислородного дыхания, биосферную и эволюционную роль процесса дыхания.
2. Учащиеся должны уметь самостоятельно прорабатывать учебный материал, сравнивать способы дыхания, выделять главное, “читать” схемы.
3. Способствовать формированию научного мировоззрения у учащихся, коммуникативных навыков.

Оборудование:

• мультимедийный проектор,
• презентация “Энергетический обмен в клетке”,
• рабочие листы,
• таблица “Энергетический обмен”, “АТФ”, “Закон сохранения и превращения энергии в живой и неживой природе”

ХОД СЕМИНАРА

Свойства живого в конечном счёте неразрывно связаны с определёнными химическими превращениям

В.А. Энгельгардт.

I. АКТУАЛИЗАЦИЯ ЗНАНИЙ, ВВЕДЕНИЕ В ТЕМУ.

На прошлом занятии мы изучили удивительный процесс, появившийся в природе около 2 млрд. лет назад – фотосинтез. Мы ещё раз убедились, что энергия света не используется напрямую для синтеза органических веществ, а сначала трансформируется в АТФ и только потом энергия АТФ тратится на синтез органики (1 закон биоэнергетики). В курсе ботаники мы с восторгом говорили о космической роли зелёных растений, о необходимости их для сохранения жизни. Но этот крупнейший ароморфоз в своё время привёл к экологической катастрофе.

Каковы экологические последствия возникновения фотосинтеза? (накопление кислорода, биогенный синтез органического вещества, появление круговорота веществ, необратимые изменения условий существования, образование озонового слоя).

Каковы эволюционные последствия возникновения фотосинтеза?

Кислород – окислитель, следовательно, с накоплением его исчезла возможность абиогенного самозарождения органики. Свободный кислород – сильнейший яд для неприспособленных к нему организмов. Его накопление в атмосфере произвело колоссальную перемену. Многие анаэробные виды живых существ не перенесли этого революционного поворота в ходе развития биосферы. Кроме того, появление кислорода должно было привести к развитию живых форм более высокого уровня организации, которые могли бы его использовать. По мере увеличения концентрации кислорода в атмосфере живые организмы выработали эффективное средство извлечения энергии из органических веществ – аэробное дыхание. Аэробные организмы сейчас составляют подавляющее большинство. Но . . . во многих группах организмов – у растений, животных, грибов, бактерий, даже у человека – сохранился наряду с кислородным дыханием анаэробный процесс извлечения энергии.0

Почему более сложные организмы не могли бы развиться в отсутствие кислорода?

Почему наряду с аэробным дыханием организмы продолжают использовать анаэробное?

Для ответа на эти вопросы мы не только должны рассмотреть проблему энергообеспечения клетки, но и сравнить способы получения энергии гетеротрофными организмами.

II. ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА

В 1931 г. академик В.А. Энгельгардт обнаружил связь между синтезом АТФ и клеточным дыханием, позднее он установил, что АТФ участвует в мышечном сокращении. В 1941 г. Липман сформулировал основной закон биоэнергетики, согласно которому энергия внешнего источника сначала запасается в форме химической энергии АТФ и лишь затем используется для совершения полезной работы. Для гетеротрофов таким внешним источником энергии являются органические вещества, поглощённые в виде пищи. Видимо, энергия этих веществ должна сначала преобразоваться в АТФ, а затем использоваться на совершение полезной работы. Давайте вспомним особенности этого химического вещества.

1. АТФ – универсальная “энергетическая валюта” – устный ответ.

Задание 1. (см рабочий лист семинара).

Запасание энергии в форме АТФ и составляет сущность энергетического обмена или внутриклеточного дыхания. Источник энергии – окисление органических веществ, поэтому реакции синтеза АТФ из АДФ и фосфата Энгельгардт назвал окислительным фосфорилированием. Синтез АТФ может осуществляться как в ходе аэробного дыхания, так и анаэробного (презентация, слайды 2, 3, 4). Рассмотрим механизмы этих процессов и сравним их.

2. Анаэробное дыхание (гликолиз) – устный ответ (презентация, слайды 5, 6).

С₆Н₁₂О₆ + 2АДФ + 2 Н₃ РО₄ + 2 НАД⁺ > 2С₃Н₄О₃ + 2АТФ + 2Н₂О + 2НАД Н₂ + 120 кДж.

Дальнейшая судьба ПВК зависит от условий: если О₂ нет – идёт анаэробный процесс, причём у дрожжей и растений происходит спиртовое брожение, у животных и некоторых бактерий – молочнокислое.

3. Брожение, типы брожения – устный ответ, обсуждение

А) Спиртовое брожение:

2С₃Н₄О₃ —> 2СО₂ + 2СН₃СОН (уксусн. альдегид)

2СН₃СОН + 2НАД Н₂ —> 2С₂Н₅ОН + 2 НАД⁺

Б) Молочнокислое брожение:

2С₃Н₄О₃ + 2НАД Н₂ —> 2С₃Н₆О₃ + 2 НАД⁺

Задание 2. (см рабочий лист семинара).

Проверка выполнения.

В ходе анаэробного дыхания образуется всего 2 АТФ.

Дальнейшее превращение ПВК в условиях О₂ происходит в митохондриях. Кислородный этап состоит из 2 процессов: химических преобразований, получивших название цикл Кребса, и цепи переноса электронов. Рассмотрим механизм этих процессов.

4. Цикл Кребса (лимонной кислоты, трикарбоновых кислот) – устный ответ (презентация, слайды 7-9).

А) Дегидрирование и декарбоксилирование ПВК с образованием ацетилкофермента А:

С₃Н₄О₃ + КоА + НАД⁺ —> С₂Н₃О – КоА + СО₂ + НАД Н₂

Б) Ацетильная группа включается в цикл Кребса.

- Каков результат цикла?

На каждую окисленную молекулу ацетил КоА приходится 1 АТФ, 4 пары атомов Н, 2 молекулы СО₂ (см схему).

Уравнение: СН₃СООН + 2Н₂О —> 2СО₂ + 8Н⁺

Атомы водорода передаются на дыхательную цепь (цепь переноса электронов).

Цепь переноса электронов – устный ответ (презентация, слайд 10).

24 Н⁺ + 6О₂ —> 12 Н₂О + 34 АТФ + Q_т

Демонстрация анимационной модели “Электроннотранспортная цепь”, обсуждение

Какую роль играют ферменты дыхательной цепи?

Какова роль кислорода?

Почему реакции синтеза АТФ получили название окислительного фосфорилирования?

Сколько АТФ синтезируется на этом этапе?

При каких условиях Н⁺ проходят через мембрану?

Суммарная реакция:

С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ —> 6СО₂ + 6Н₂О + 38 АТФ + Q_т

Аэробный процесс включает 3 этапа: гликолиз, цикл Кребса и дыхательную цепь.

Давайте сравним аэробное и анаэробное дыхание, выявим их “+” и “-”.

Задание 3. (см. рабочий лист)

Сравнение анаэробного и аэробного дыхания

Проверка выполнения (презентация, слайд 11).

Несмотря на то, что синтез АТФ энергетически невыгодный процесс, кпд его достаточно высок. Обратите внимание на следующие данные:

КПД парового двигателя – 12-15 %, турбины ГЭС – 20-25 %, двигателя внутреннего сгорания – 35 %. По эффективности преобразования энергии живая клетка превосходит многие технические преобразователи.

6. Значение дыхания (презентация, слайды 12, 13).

А) В результате биологического окисления сохраняется равновесие между продукцией органики и её распадом.

Б) СО₂, образующийся в результате дыхания используется для образования карбонатов, накапливается в осадочных породах – известняках ( в 4 раза больше, чем утилизируется в ходе фотосинтеза).

В) В течение длительного времени остаётся постоянным соотношение между газами в атмосфере.

Г) Обеспечивается более полный круговорот веществ.

III. ОБОБЩЕНИЕ УЧЕБНОГО МАТЕРИАЛА

Давайте подведём итоги.

Почему наряду с аэробным дыханием организмы продолжают использовать анаэробное?

Почему более сложные организмы не могли бы развиться в отсутствие кислорода?

В курсе физики вы изучаете проявления законов термодинамики в неживой природе.

Задание 4. (см рабочий лист семинара)

Итак, процессы фотосинтеза и дыхания тесно взаимосвязаны между собой. Это проявляется в их совместном участии в круговороте веществ в биосфере, огромной эволюционной роли: и фотосинтез и аэробное дыхание явились крупнейшими ароморфозами, позволившими освоить новые среды обитания, интенсифицировать обмен веществ, ускорить процесс эволюции.

IV. Д \З. Подготовиться к семинару по теме “Пластический обмен в клетке”

Приложение 1

Приложение 2

ЛИТЕРАТУРА:

1. Общая биология, учебник для 10 – 11 классов с углублённым изучением биологии (под редакцией В.К. Шумного, Г.М. Дымшица и А.О. Рувинского), “Просвещение”, М., 2001
2. М.Б. Беркенблит, С.М. Глаголев, В.А. Фуралёв. Общая биология: учебник для 10 класса средней школы. МИРОС, М., 1999
3. Пименов А.В. Уроки биологии в 10 (11) классе. “Академия развития”, Ярославль, 2001