"Энергетический обмен". 10-й класс

Мищенко Лилия Витальевна, учитель биологии и химии

Разделы: Биология

Класс: 10

Цели урока:

Образовательные:

Сформировать знания о трех этапах энергетического обмена на примере углеводного обмена
дать характеристику реакциям и условиям, необходимым для их протекания на каждом этапе
показать роль ферментов в процессах метаболизма
научить учащихся решать задачи с использованием уравнений бескислородного и кислородного расщепления глюкозы
отработать умение производить расчеты количества вещества и объема по формулам

Развивающие:

развитие речи учащихся
развитие умения работать с таблицами
развитие умения определять вещества по формулам
развитие навыков вычислительной деятельности

Воспитательные: формирование диалектико-материалистического мировоззрения

Оборудование: таблицы – энергообеспечение клетки, этапы энергетического обмена, строение некоторых органоидов клетки

Ход урока

I. Актуализация знаний

Учитель: Одним из характерных признаков живого является обмен веществ и превращение энергии. Как еще называют этот процесс?

Учитель: Обмен веществ и энергии состоит из двух взаимосвязанных и противоположных процессов с одним из них мы уже познакомились. Что это за процесс?

Учитель: Сегодня на уроке нам предстоит разобрать механизм противоположного процесса. Давайте вспомним, как называется этот процесс

II. Изучение новой темы

Превращение веществ и энергии в процессе д/с включает в себя 3 этапа:

1. Подготовительный этап (пищеварение) – протекает вне клеток в пищеварительном тракте под действием ферментов, секретируемых пищеварительными железами. Состоит в гидролизе крупных молекул на более мелкие.

Учитель: Покажите по таблице, какие превращения происходят в пищеварительном тракте, назовите ферменты, участвующие в процессе

Учитель: Давайте вспомним, что такое ферменты и какую роль они играют в реакциях катаболизма

Учитель: Мы знаем, что энергетическая функция характерна и для белков и для жиров и для углеводов, какова очередность их использования организмом?

(В первую очередь для расщепления используются углеводы. Жиры составляют «первый резерв» и используются тогда, когда исчерпан запас углеводов. Белки вовлекаются в обмен после израсходования всех запасов углеводов и жиров, при длительном голодании. Вся выделяющаяся энергия рассеивается в форме тепла.)

2. Гликолиз (бескислородное расщепление)

Гликолиз ( греч. glycos – сладкий, lysis – расщепление).Это сложный многоступенчатый процесс, представляющий каскад следующих друг за другом 10 реакций .Протекает в цитоплазме клетки. В нем участвует множество ферментов , находящихся в гиалоплазме (коллоидном веществе цитоплазмы) и не связанных с мембранами.

Конечными продуктами гликолиза являются 2 молекулы пировиноградной кислоты (ПВК), 2 молекулы АТФ и 2 молекулы восстановленного НАД∙Н₂ (НАД – кофермент никотинамидадениндинуклеотид – переносчик протонов).

С₆Н₁₂О₆ + 2АДФ + 2Н₃РО₄ + 2НАД⁺ = 2 С₃Н₄О₃ +2 НАД∙Н₂ + 2АТФ + 2Н₂О

При невозможности дальнейшего кислородного окисления (у облигатных анаэробов) ПВК может окисляться в молочную кислоту (у животных и некоторых бактерий)

2 С₃Н₄О₃ + 2НАД ∙Н₂ → 2С₃Н₆О₃ + 2НАД⁺

этиловый спирт (у дрожжей и растений)

2 С₃Н₄О₃ → 2СО₂ + 2 СН₃СОН (уксусный альдегид)

2 СН₃СОН + 2НАД ∙Н₂ →2С₂Н₅ОН + 2НАД⁺

Если же дальнейшее кислородное окисление, возможно, то ПВК поступает из цитоплазмы в митохондрии, где претерпевает дальнейшие превращения. Гликолиз – эволюционно наиболее древний путь расщепления глюкозы. У анаэробов он является единственным процессом получения энергии.

3. Дыхание (кислородное расщепление)

Цепь физиологических процессов, происходящих в организме растений и животных, при которых поглощается кислород, выделяется углекислый газ и вода, а так же энергия, обеспечивающая жизнедеятельность организма. У животных различают дыхание внешнее (органы дыхания и дыхательные пути) и внутриклеточное (митохондрии), поскольку кислород усваивается только в митохондриях. У растений дыхание осуществляется всеми органами, кислород же усваивается также только в митохондриях клеток.

В кислородном процессе принимают участие, кроме субстратов, многочисленные ферменты, молекулы-переносчики, вода, молекулярный кислород. Основное условие нормального течения кислородного процесса – целостность митохондриальных мембран.

Дыхание происходит в 2 этапа:

1 этап цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса)

На этом этапе расщеплению подвергается 2 молекулы ПВК.

Трикарбоновые кислоты образуются в этом цикле как промежуточные продукты . Все ферменты этого цикла локализованы в митохондриях, в их внутреннем пространстве, которое заполнено матриксом – полужидким белковым веществом.

Попадая в митохондрии ПВК окисляется и превращается в богатое энергией производное уксусной кислоты – ацетилкофермент А (ацетил - КоА). Такое превращение происходит при участии гигантского ферментативного комплекса, в состав которого входят 60 белковых молекул трех типов и присоединенные к ним молекулы переносчики электронов.

Существенно, что при окислении глюкозы, жирных кислот и некоторых аминокислот образуется одинаковый конечный продукт - ацетил–КоА. При этом происходит «обезличивание» первичного источника энергии. Следовательно, в цикл трикарбоновых кислот поступают молекулы ацетил – КоА из разных источников.

Цикл начинается образованием лимонной кислоты при взаимодействии ацетил–КоА и щавелево-уксусной кислоты и заканчивается образованием щавелево-уксусной кислоты (для нового цикла), двух молекул углекислого газа ( он свободно проникает через мембраны и удаляется в окружающую среду), одной молекулы АТФ и четырех молекул восстановленных коферментов (ФАД∙Н2 и 3НАД∙Н2), то есть часть молекул окисляется до конечных продуктов, а часть продолжает «крутиться» в цикле.

2 С₃Н₄О₃ + 3 Н₂О → 3СО₂ +10 Н

2 этап – окислительное фосфорилирование (фосфорилирование – синтез АТФ)

Последовательные ферментативные реакции, в ходе которых электроны перемещаются по цепи переноса от ФАД∙Н₂ и НАД∙Н₂ к молекулярному кислороду с образованием АТФ(и воды).

Эти реакции идут в такой последовательности:

Атом водорода с помощью ферментов-переносчиков поступает во внутреннюю мембрану митохондрий, образующую кристы, где он окисляется:
Н - e – → Н⁺
Протон Н⁺ выносится переносчиками на наружную поверхность мембраны крист. Для протонов эта мембрана, так же как и наружная мембрана митохондрии, непроницаема, поэтому они накапливаются в межмембранном пространстве, образуя протонный резервуар.
Электроны водорода переносятся на внутреннюю поверхность мембраны крист и тут же присоединяются к кислороду с помощью фермента оксидазы, образуя отрицательно заряженный активный кислород
О₂ +2е^- → О₂^-
Катионы и анионы по обе стороны мембраны создают разноименно заряженное электрическое поле, и когда разность потенциалов достигнет некоторого критического уровня (200мВ), начинает действовать протонный канал. Он возникает в в молекулах ферментов АТФ- синтетаз, которые встроены во внутреннюю мембрану, образующую кристы. Если внутренняя мембрана повреждена, то окисление НАДН₂ продолжается, но не работает АТФ-синтетаза и образования АТФ не происходит, вся энергия выходит в форме тепла
Силой электрического поля ионы Н⁺ проталкиваются через канал АТФ-синтетаз и устремляются внутрь митохондрии, создавая высокий уровень энергии, большая часть которой идет на синтез АТФ, а сами протоны взаимодействуют с активным кислородом, образуя воду и молекулярный кислород
4Н⁺ + 2О₂^- → 2Н₂О +О₂

Таким образом, кислород, поступающий в митохондрии в процессе дыхания организма, необходим для присоединения протонов Н⁺. При его отсутствии весь процесс в митохондриях прекращается

Процесс кислородного расщепления выражается уравнением

2С₃Н₄О₃ + 6О₂ + 36АДФ +36Н₃РО₄ → 6СО₂ + 36 АТФ + 42 Н₂О

Просуммировав это уравнением с уравнением гликолиза, получим:

С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ + 38АДФ +38Н₃РО₄ → 6СО₂ + 38 АТФ + 44 Н₂О

Образовавшиеся молекулы АТФ выходят за пределы митохондрий и участвуют во всех процессах клетки, где необходима энергия

Схема 1. Синтез АТФ в митохондрии клетки

$C:\Documents and Settings\Администратор\Мои документы\Мои рисунки\Изображение\Изображение 001.jpg$

III. Закрепление материала

Подумайте:

Во сколько раз кислородный процесс более эффективен, чем бескислородный? (18)
У новорожденных детей детенышей животных рождающихся голыми, у животных, впадающих в зимнюю спячку, на спине расположен жир бурого цвета. Клетки его содержат много митохондрий, мембраны которых пронизаны порами. Ионы водорода проходят через них свободно.

Возможен ли синтез АТФ в клетках бурого жира?
Во что преобразуется в них энергия дыхания?

(Если внутренняя мембрана повреждена (пронизаны порами), то окисление НАДН₂ продолжается, но не работает АТФ-синтетаза и образования АТФ не происходит, вся энергия выходит в форме тепла)

ответить на вопросы теста: 1-й вариант- нечетные вопросы, 2-й вариант – четные;

после сдачи листочков еще раз заострить внимание на вопросах, вызвавших затруднения у учащихся

Тест

Большинство организмов используют для клеточного дыхания в первую очередь:
а) углеводы; б) белки и углеводы; в) белки и липиды; г) липиды и углеводы.
Крахмал и гликоген вовлекаются в энергетический обмен:
а) непосредственно сразу; б) только лишь после того как они будут гидролизованы до дисахаридов; в) только лишь после того как они будут гидролизованы до моносахаридов; г) только лишь после того как они будут окислены до углекислого газа и воды.
Жиры вовлекаются в энергетический обмен:
а) постоянно, наряду с белками; б) постоянно, наряду с углеводами; в) главным образом тогда, когда израсходован запас углеводов; г) главным образом тогда, когда израсходован запас углеводов и белков.
Белки вовлекаются в энергетический обмен:
а) постоянно, наряду с жирами; б) постоянно, наряду с углеводами; в) главным образом тогда, когда израсходован запас углеводов; г) главным образом тогда, когда израсходован запас углеводов и жиров.
Гликолизом называется последовательность реакций, в результате которых:
а) крахмал и гликоген расщепляются до глюкозы; б) глюкоза расщепляется на 2 молекулы пировиноградной кислоты; в) глюкоза расщепляется на 2 молекулы молочной кислоты; г) глюкоза расщепляется на углекислый газ и воду.
Реакции гликолиза протекают:
а) в матриксе митохондрий при аэробных условиях; б) на кристах митохондрий при аэробных условиях; в) в лизосомах при анаэробных условиях; г) в лизосомах при аэробных условиях.
Чистый выход АТФ в реакциях гликолиза при расщеплении 1 молекулы глюкозы составляет:
а) 2 молекулы; б) 4 молекулы; в) 36 молекул; г) 38 молекул.
При анаэробном дыхании пировиноградная кислота (ПВК) - продукт расщепления глюкозы, превращается в:
а) углекислый газ и воду; б) этиловый спирт и углекислый газ; в) молочную кислоту и углекислый газ; г) молочную кислоту и углекислый газ либо этиловый спирт и углекислый газ.
В каком случае происходит анаэробный гликолиз?
а) в эритроцитах человека; б) в матриксе митохондрий; в) в клетках мышц при накоплении молочной кислоты; г) на наружной мембране митохондрий.
Для какого из названных организмов анаэробный гликолиз - единственный источник АТФ?
а) волк; б) змея; в) лягушка; г) почвенные бактерии.
При аэробном дыхании пировиноградная кислота (ПВК) - продукт расщепления глюкозы, окисляется до:
а) углекислого газа и воды; б) этилового спирта и углекислого газа; в) молочной кислоты и углекислого газа; г) молочной кислоты и углекислого газа либо до этилового спирта и углекислого газа.
Непременным участником всех этапов окисления глюкозы является:
а) кислород; б) ферменты; в) энергия света; г) углекислый газ.
Непосредственным источником энергии для образования АТФ служат:
а) ферменты; б) вода; в) ионы водорода и электроны; г) хлорофилл.
Реакции цикла трикарбоновых кислот( цикл Кребса) протекают в клетке:
а) в матриксе митохондрий при аэробных условиях; б) на кристах митохондрий при аэробных условиях; в) в лизосомах при анаэробных условиях; г) в лизосомах при аэробных условиях.

Правильные ответы:1а 2в 3в 4г 5б 6в 7а 8г 9в 10г 11а 12б 13в 14а

IV. Разбор задачи

Задача 1

На основании уравнения полного окисления глюкозы решите: сколько граммов глюкозы и литров кислорода израсходует 25 школьников на уроке продолжительностью 40 минут, если за одну минуту один школьник расходует 8 кДж энергии (моль глюкозы дает 1520 кДж энергии), а кислород доставляется в достаточном количестве.

Решение:

Узнать, сколько энергии расходует один ученик за урок: 8кДж ×40 = 320 кДж
Узнать , сколько энергии расходуют за урок 20 учеников: 320 кДж ×25 = 8000 кДж или 200 АТФ (8000/ 40 кДж)

Определить количество расходуемой глюкозы по итоговому уравнению полного расщепления глюкозы( так как кислорода достаточно, идет полное окисление)

m = x г	V= х л	8000 кДж
С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ + 38АДФ +38Н₃РО₄ → 6СО₂+ 44 Н₂О + 38 АТФ (1520 кДж)
1 моль М=12×6+1×12+16×6=180г/моль m=180г. Х – 8000 кДж(200 АТФ) 180 г. – 1520 кДж(38 АТФ)	6 моль Vm= 22.4 л/моль V= 6моль×22,4л/моль=134,4л. х=180г.×8000 кДж/1520 кДж = 947,36г. глюкозы

Определить объем используемого кислорода, зная, что по закону Авогадро 1 моль любого газа занимает при нормальных условиях объем равный 22.4 л/ моль
947,36г – х л.
180г – 134.,4л. х = 947,36г.×134.4л./180г. = 707, 36л.

Ответ:

25 учеников на уроке продолжительностью 450 минут израсходовали 947,36 г. глюкозы
на полное окисление использованной глюкозы пошло 707,36л. кислорода

Задача 2

В процессе диссимиляции произошло расщепление 12 моль глюкозы, из которых полному расщеплению подверглась третья часть молекул.

Определите:

сколько моль молочной кислоты и углекислого газа при этом образовалось
Сколько моль АТФ синтезировалось
Сколько энергии и в какой форме аккумулировано в образовавшихся молекулах АТФ
Сколько моль кислорода израсходовано на полное окисление 4 моль глюкозы

Решение:

Всего расщепилось 12 моль глюкозы, из которых 4 моль подверглись полному расщеплению, а другие 8 – неполному.
Уравнение полного расщепления 1 моль глюкозы:
С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ + = 6СО₂+ 44 Н₂О + 38 АТФ
По условию полному расщеплению подверглось 4 моль глюкозы, тогда:
4 × С₆Н₁₂О₆ + 4 × 6О₂ + = 4 × 6СО₂+ 4 × 44 Н₂О + 4 × 38 АТФ
Следовательно, при полном расщеплении глюкозы использовано 24 моль кислорода, выделено 24 моль углекислого газа и синтезировано 152 моль АТФ
Для других 8 моль глюкозы кислорода не хватило, и они подверглись неполному расщеплению до молочной кислоты.
Записываем реакцию неполного расщепления 1 моль глюкозы:
С₆Н₁₂О₆ = 2С₃Н₆О₃ +2АТФ
Находим количество молочной кислоты и АТФ для 8 моль глюкозы, подвергшихся гликолизу:
8 С₆Н₁₂О₆ = 2×8 С₃Н₆О₃ +2×8 АТФ
Таким образом при неполном окислении глюкозы образовалось 16 моль молочной кислоты и 16 моль АТФ

Ответ:

молочной кислоты образовалось 16 моль, углекислого газа -24 моль.
АТФ синтезировано 168 (152 моль при полном окислении и 16 при неполном)
Энергии аккумулировано 6720кДж(40 кДж× 168) в форме макроэргических связей
При полном окислении глюкозы использовано 24 моль кислорода.

V. Домашнее задание

Решить задачу: При марафонском беге мышцы ног за 3 минуты расходуют 55кДж энергии. Определите: а) сколько всего глюкозы израсходуют мышцы за 4 часа, если кислород доставляется кровью к мышцам в достаточном количестве, для полного окисления; б) накопится ли в мышцах молочная кислота.

Используемая литература:

Абитуриенту Владивостокского государственного медицинского университета: Учебное пособие.( Под редакцией академика Ю.В.Каминского). - Владивосток, 1998- 213 с.
Биология: Школьный курс. М.: АСТ – ПРЕСС, 2000. – 576с. – Универсальное учебное пособие
Богданова Т.Л., Солодова Е.А.Биология: справочник для старшеклассников и поступающих в вузы 3-е изд. – М.: АСТ - ПРЕСС ШКОЛА, 2006. – 816 с.
Высоцкая Л.В., С.М.Глаголев, Г. М. Дымшиц и др Общая биология: учеб. Для 10-11 кл. с углубл. изуч. М.: Просвещение, 1995. – 544с.
Полянский Ю.И. Учебник для 10-11 классов средней школы. М.: Просвещение, 1991. – 288с.

1.06.2009