Интегрированный урок (биология + химия) "Дыхание как биологическое окисление"

Разделы: Химия, Биология

Тип урока: обучающий.

Цель:

  • дать понятие о процессах клеточного дыхания;
  • показать, что эти процессы являются окислительно– восстановительными;
  • объяснить значение дыхания в жизнедеятельности различных организмов.

Методы обучения:

  • фронтальный опрос;
  • эвристическая беседа;
  • ролевая игра;
  • составление рассказа по терминам.

План урока (2 х 45 минут):

  1. Организация начала урока.
  2. Проверка домашнего задания.
  3. Активизация.
  4. Изучение новый материал.
  5. Первичное закрепление.
  6. Первичная проверка.
  7. Итоги урока, рефлексия.
  8. Домашнее задание и инструктаж

Оборудование:

Ход урока

(ведут учитель биологии и учитель химии)

1) Организация начала урока.

Приветствие, на партах технологические карты, на доске таблицы.

2) Проверка домашнего задания.

Учитель биологии:

Глядя на название темы, вы уже догадались, что речь пойдет о химических процессах, которые происходят в живой клетке. Чтобы понять новый материал нам необходимо вспомнить некоторые биологические и химические термины (повторение терминов было домашним заданием):

  • Окисление.
  • Восстановление.
  • Митохондрия.
  • Мембрана.
  • Органические вещества.

(Ученики отвечают на вопросы с места).

3) Активизация.

Все мы имеем представление о том, как дышать. Но ученые называют дыхание медленным горением. Горение мы тоже все видели: горение газа, спички, костра… Что же общего между такими непохожими внешне процессами? Об этом вам расскажем мы – учителя биологии и химии.

4) Новый материал(беседа).

Учитель химии:

Окисление и восстановление.

Все биологические процессы связаны с потреблением энергии, поэтому биологам приходится изучать различные реакции, способные служить источником этой энергии. Реакции, при которых энергия выделяется, называются экзотермическими, а при которых расходуется – эндотермическими. Процессы синтеза (анаболические процессы) принадлежат к эндотермическим (пример – фотосинтез), а процессы распада (катаболические процессы) – к экзотермическим (пример – дыхание).

Совокупность катаболических и анаболических реакций, протекающих в клетке в любой данный момент, составляет ее метаболизм.

АНАБОЛИЗМ + КАТАБОЛИЗМ = МЕТАБОЛИЗМ

Большую часть необходимой энергии клетка получает за счет окисления питательных веществ в процессе дыхания. Окисление определяют как утрату электронов, а противоположный процесс – присоединение электронов – называют восстановлением. Эти два процесса всегда проходят одновременно: электроны передаются от донора электронов, который таким образом окисляется, к акцептору электронов, который таким образом восстанавливается. Реакции такого типа называют окислительно-восстановительными; в химических процессах, протекающих в биологических системах, они широко распространены. Существует несколько различных механизмов окисления и восстановления; с ними мы и познакомимся.

Использование энергии в живой клетке.

Каждая живая клетка – это сложная, высокоупорядоченная система. Все химические реакции, происходящие в клетке можно подразделить на две группы. Анаболические реакции – это реакции синтеза крупных молекул из более мелких и простых; для этих процессов необходима затрата энергии (т.е.эндотермические процессы): 

А + В → АВ

Катаболические реакции – это реакции распада крупных молекул на более мелкие и простые, обычно с выделением энергии (экзотермические процессы):

АВ → А + В

Поступающие в клетку органические вещества служат для нее источником небольших «строительных блоков», используемых для биосинтеза новых клеточных компонентов или замены компонентов, отслуживших свой срок и химической энергии. Когда в клетке происходит расщепление питательных веществ, обычно высвобождается энергия. Значительную ее часть клетка использует на поддержание своих жизненных процессов. Энергия поступает в различные участки клетки и переходит из одной формы в другую. Каждая форма энергии служит затем для выполнения в клетке определенной работы. Это может быть биосинтез, механическая работа, клеточное деление, активный транспорт, осмос, мышечное сокращение, биолюминисценция или электрические разряды.

   

   

Обмен энергии между средой и гетеротрофной клеткой.

Наиболее пригодна для использования в живой клетке химическая энергия, так как она может быстро передаваться из одной части клетки в другую, из клетки в клетку и расходоваться экономно – строго отмеренными порциями. Первоисточником всей энергии служит Солнце, но включиться в пищевые цепи солнечная энергия может лишь после поглощения зелеными растениями (автотрофами) и преобразования содержащими хлорофилл клетками в процессе фотосинтеза в химическую энергию, заключенную либо в глюкозе (простой сахар), либо в крахмале (полисахарид). Часть этой энергии высвобождается растением и расходуется для собственных нужд. Животные вынуждены пользоваться готовым источником энергии – пищей.

АТФ

Структура АТФ

АТФ – постоянный источник энергии для клетки. Он мобилен и может доставлять энергию в любую часть клетки. Он мобилен и может доставлять химическую энергию в любую часть клетки. Когда клетка нуждается в энергии, единственное, что требуется для её получения - это гидролиз АТФ. Поскольку АТФ содержится во всех живых клетках, его часто называют универсальным носителем энергии.

АТФ играет важную метаболическую роль благодаря своему центральному положению в клеточной активности, он действует как связующее звено между дыханием и процессами, требующими затраты энергии. При этом его высокоэнергетические фосфатные группы непрерывно отщепляются и замещаются новыми .

Биологическое окисление

В клетке происходят окислительные реакции 3 типов:

  1. Прямое окисление молекулярным кислородом: А + О2 → АО2
  2. Реакции, в которых А окисляется за счет в:
    3. АН2 + В → А + ВН2 
  3. Реакции, в которых происходит перенос электронов, например окисление одной ионной формы железа( Fe2+ ) в другую(Fe3+ ):
    4. Fe2+ → Fe3+ + e-

Все эти 3 типа окисления встречаются в последовательности реакций, составляющих вместе процесс, который носит название аэробного дыхания.

Учитель биологии:

Общая характеристика клеточного дыхания.

Клеточное дыхание - это окисление субстрата, приводящий к получению химической энергии(АТФ).Субстратами для дыхания служат органические соединения –углеводы, жиры и белки.

Большинство клеток используют в первую очередь именно углеводы. Клетки головного мозга млекопитающих вообще не способны использовать для дыхания нечего, кроме глюкозы. Полисахариды вовлекаются в процесс дыхания лишь после того, как они будут гидролизованы до моносахаридов:

Жиры. Жиры составляют «первый резерв»и пускаются в дело главным образом тогда, когда запас углеводов исчерпан.Впрочем .в клетках скелетных мышц при наличии глюкозы и жирных кислот предпочтение отдаётся жирным кислотам.

Белки. Поскольку белки выполняют ряд других важных функций, они используются лишь рослее того, как будут израсходованы все запасы углеводов и жиров, например при длительном голодании.

Окисление глюкозы - в тех случаях, когда субстратом служит глюкоза, -подразделяется на три чётко различимые фазы: гликолиз (путь Эмбдена-Мейергофа),окислительное декарбоксилирование (цикл Кребса, иначе называемы циклом лимонной кислоты или циклом трикарбоновых кислот) и окислительное фосфорилирование (дыхательная цепь, где происходит перенос водорода и электронов). Гликолиз – фаза общая для аэробного и анаэробного дыхания, но две другие фазы можно наблюдать только в аэробных условиях.

Схема аэробного дыхания.

Так как организмы запасают и используют энергию в форме АТФ, жизнь может продолжаться лишь в том случае, если израсходованный АТФ будет тут же замещаться новым. Для синтеза АТФ используется энергия, получаемая путем расщепления питательных веществ в процессе дыхания. 

Гликолиз (первая стадия расщепления глюкозы) происходит в цитоплазме. Чистый выход равен: 2 молекулы АТФ и 2 молекулам переносчиков водорода (НАД ▪ Н + Н+ ) на 1 молекулу глюкозы. Исходная шестиуглеродная молекула глюкозы превращается при этом в две молекулы трехуглеродного соединения – пирувата.

Попав в митохондрию, молекула пирувата превращается в 1 молекулу СО2 и 1 двухуглеродную ацетильную группу. Ацетильная группа включается в цикл лимонной кислоты. В каждом обороте цикла 2 атома С высвобождаются в виде 2-х молекул СО2, несколько переносчиков водорода присоединяют по паре водородных атомов и образуется 1 молекула АТФ. Промежуточные продукты цикла преобразовываются до веществ, которые могут снова присоединять ацетильные группы. Цикл замыкается.

Переносчики, нагруженные в гликолизе и в цикле лимонной кислоты, передают атомы водорода в цепь переноса электронов, находящуюся во внутренней мембране митохондрии. Электроны несколько раз проходят через мембрану, причем всякий раз их сопровождают ионы Н+. Конечным акцептором электронов является О2. О2 присоединяет и ионы Н+, что приводит к образованию Н2О.

Клеточное дыхание.

Н+ - резервуар, роль которого играет пространство между внутренней и наружной мембраной митохондрии накапливает заряд и за счет накопленной энергии синтезируется АТФ из АДФ и Рн.

Учитель химии – записывает уравнения реакций на доске:

(Ученики записывают в тетрадях)

Суммарные реакции аэробного дыхания.

Если О2 не хватает для присоединения электронов из цепи переноса электронов, то в некоторых клетках происходит брожение, при котором клетки довольствуются таким скудным источником энергии как гликолиз. В таких условиях дрожжи превращают пируват в СО2 и спирт, а в мышцах животных пируват превращается в молочную кислоту. В обоих случаях переносчики, освободившиеся от водорода, возвращаются в процесс гликолиза, где могут снова присоединять водород. Благодаря этому продолжается и сам гликолиз и синтез АТФ.

Глюкоза – главное соединение, расщепляемое в процессе дыхания, однако источником энергии для синтеза АТФ в организме может служить любое органическое вещество. Взаимосвязанные пути расщепления питательных веществ используются и для синтеза. Белки и углеводы, поступающие с пищей в избытке, могут превращаться в жиры и запасаться в организме вместе с избытком пищевых жиров. 

5) Первичное закрепление (ролевая игра).

Вариант детской игры «съедобное – несъедобное»: учитель химии держит в руке теннисный мяч, изображающий электрон, со словами «окисление» или «восстановление» бросает ученику мяч, ученик должен либо оставить мяч у себя («восстановление»), либо бросить обратно («окисление»).

Ролевая игра ( по типу «ассоциации»).

1 ряд должен изобразить в виде пантомимы подготовительный этап – распад молекулы глюкозы.
2 ряд – цикл лимонной кислоты.
3 ряд – цепь переноса электронов.

6) Первичная проверка.

На доске написано 20 терминов, из них 5 лишних (не соответствующих  теме). Надо стереть лишние термины, а из оставшихся 15 составить связный рассказ.

Диссимиляция, гликолиз, ассимиляция, фотосинтез, АТФ, глюкоза, свет, аэробное дыхание, цикл, подготовительный этап, деление, окисление, ДНК, восстановление, РНК, электроны, протоны, мембрана (набор терминов можно варьировать, исходя из подготовки учеников).

7) Подведение итогов (оценивание и рефлексия).

8) Домашнее задание и инструктаж (записывают в дневниках).