Урок "Энергетический обмен в клетке"

Цель урока: Продолжить формирование знаний об обмене веществ, раскрыв сущность энергетического обмена, подвести учащихся к выводу о значении АТФ как универсального аккумулятора энергии в клетке; познакомить учащихся с особенностями трех этапов энергетического обмена на уровне восприятия, осмысления и первичного запоминания.

Тип урока: изучение нового материала.

Оборудование: интерактивная таблица “Энергетический обмен в клетке” (Приложение.)

Ход урока

I. Актуализация знаний: На доске записаны слова:

Учитель: Вспомните вещество, связанное со всеми выписанными словами, определите его роль в клетке?

Ученики: вспоминают АТФ и ее роль в клетке.

Учитель: Зачем организмам необходима энергия?

Ученики: Рост, дыхание, питание и т.д.

Учитель: – Итак, источником энергии для подавляющего большинства процессов в живых организмах является следующая реакция:

АТФ + Н₂О = АДФ + Н₃РО₄ + энергия.

– Известно, что в среднем содержание АТФ в клетках составляет от 0,05% до 0,5% ее массы. Но практически все идущие в клетке биохимические реакции требуют затрат энергии молекул АТФ. Запаса АТФ в мышцах хватает только на 20–30 сокращений. Поэтому в клетках идет постоянный процесс синтеза АТФ.

Следовательно, запас АТФ должен непрерывно пополняться на основе обратной реакции, идущей с затратой энергии:

АДФ + Н₃РО₄ + энергия = АТФ + Н₂О.

Учитель: Откуда берется энергия для этой обратной реакции?

– Откуда организмы ее могут получить? (Питательные вещества.)

Сообщение темы и целей урока. Мы познакомимся с сущностью энергетического обмена, рассмотрим этапы энергетического обмена. Выясним, какое значение имеет энергетический обмен?

Работа со схемой “Способы получения энергии живыми существами”

Комментарии учителя. Некоторые организмы, например, растения, могут преобразовывать в энергию АТФ энергию солнечных лучей на первом этапе фотосинтеза; хемосинтезирующие бактерии способны запасать энергию в форме АТФ, получаемую при химических реакциях окисления различных неорганических соединений. Особенности этих процессов мы рассмотрим на следующем занятии.

Гетеротрофы получают необходимую энергию для их жизнедеятельности в результате окисления в клетках молекул органических веществ, поступающих вместе с пищей. Но следует отметить, что фотосинтезирующие и хемосинтезирующие организмы также способны получать энергию благодаря окислению органических веществ, синтезированных в собственных клетках из неорганических соединений.

В ходе биологического окисления расщепление сложных органических веществ осуществляется поэтапно и может идти двумя принципиально различными путями:

Начальные этапы обоих видов окисления протекают сходным образом.

Учитель: Рассмотрим этапы энергетического обмена (работа с таблицей).

Этапы энергетического обмена

В первую, подготовительную стадию, крупные молекулы распадаются на более простые: белки расщепляются до аминокислот, полисахариды – до моносахаридов; липиды – до глицерина и высших жирных кислот.

Этот процесс осуществляется в пищеварительном канале многоклеточных организмов, затем – в клетках под действием ферментов лизосом. Выделившаяся энергия в ходе превращения веществ, полностью рассеивается в виде тепла.

Учитель:

– Какая общая функция характерна для этих веществ?
– Рационально ли тратить белки на получение энергии? Почему?
– Какие вещества являются основным источником энергии?

Считается, что ключевое место в метаболизме всех типов клеток занимают реакции с участием сахаров, например, глюкозы, поэтому на занятии мы рассмотрим путь окисления именно этого углевода.

Второй этап – бескислородный, или неполное окисление. Он называется также анаэробным дыханием (гликолизом) или брожением. Термин “брожение” обычно применяют по отношению к процессам, протекающим в клетках микроорганизмов или растений.

Брожению могут подвергаться многие органические соединения, но чаще всего – углеводы, в результате чего образуются: спирт (этиловый), кислоты (молочная, масляная и др.), ацетон и другие органические соединения, углекислый газ, а в некоторых случаях и водород.

По образующимся продуктам различают спиртовое, молочно – кислое, масляно-кислое и другие виды брожения. Но суть механизма всех видов брожения, несмотря на их многообразие, одна и та же. И заключается этот механизм в ферментативном расщеплении глюкозы, то есть в гликолизе, которое в самых разнообразных клетках протекает по одному и тому же сценарию без изменений.

Гликолиз осуществляется в цитоплазме клеток и не требует кислорода. Он состоит из девяти последовательных реакций, каждая из которых катализируется общим ферментом. В ходе реакций гликолиза молекула глюкозы распадается на две трехуглеродные молекулы пировиноградной кислоты (ПВК), при этом суммарно образуются две молекулы АТФ.

Уравнение реакции приведено в учебнике.

Дальнейшая судьба ПВК может быть различной в зависимости от того, какой тип извлечения энергии предпочитают организмы -анаэробный (бескислородный) или аэробный (кислородный).

В случае анаэробных организмов или тканей животных, способных работать в условиях отсутствия или пониженного содержания кислорода, молекулы ПВК подвергаются дальнейшему преобразованию в зависимости от типа брожения до спирта (спиртовое брожение), молочной кислоты (молочнокислое брожение) и т.д. Недостатком процессов брожения является извлечение незначительной доли той энергии, которая заключена в связях органических молекул. Для многих одноклеточных и многоклеточных (особенно ведущих паразитический образ жизни) этого вполне достаточно.

Но брожение является жизненно важным процессом и для других более высокоорганизованных существ.

Например, спиртовое брожение происходит у хвойных растений зимой, когда устьица хвои закупориваются смолой, и газообмен с внешней средой прекращается.

У человека также происходит процесс брожения. Вашему вниманию предлагается видеофрагмент, посмотрев который, вы должны ответить на вопросы:

• В каком случае клетки мышц переходят на бескислородное дыхание?
• Какой конечный продукт образуется в мышцах в результате гликолиза?
• С чем связана боль в мышцах у нетренированного человека после физической нагрузки?

Проблемный вопрос: Что необходимо сделать, чтобы уменьшить боль?

Для того, чтобы ответить на вопрос, мы рассмотрим 3 стадию энергетического обмена. На третьей стадии энергетического обмена происходит дальнейшее окисление продуктов гликолиза до углекислого газа и воды с помощью окислителя О₂ и ферментов.

Этот этап получил название аэробного (кислородного) дыхания, или гидролиза. Он осуществляется в “энергетических станциях” клетки – митохондриях и связан с матриксом митохондрии и ее внутренними мембранами.

Образовавшиеся в процессе гликолиза органические вещества поступают на ферментативный кольцевой “конвейер”, который называют в честь описавшего его ученого циклом Кребса. Все ферменты, катализирующие реакции этого цикла, локализованы в митохондриях. На всех стадиях этого процесса происходит поглощение кислорода и выделение углекислого газа, воды и энергии, запасаемой в молекулах АТФ. Причем образование молекул АТФ сопряжено с ферментами, которые расположены на внутренней мембране митохондрий, обеспечивающих выделение энергии небольшими порциями, что позволяет запасать ее в химических связях АТФ.

Процесс кислородного расщепления молочной кислоты можно выразить уравнением (в учебнике):

2С₃Н₄О₃ + 6О₂+ 36 АДФ + 36 Н₃РО₄ –> 36 АТФ + 6СО₂+ 42Н₂О.

Вопрос: Какой этап энергетического обмена наиболее выгоден и почему?

Кислородное дыхание гораздо эффективнее гликолиза, так как полное окисление органических веществ приводит к выделению большого количества энергии, причем примерно 60% ее запасается в молекулах АТФ, а 40% рассеивается в виде тепла.

Вопрос: Сколько всего образуется молекул АТФ в результате окисления одной молекулы глюкозы?

(Всего на трех этапах биологического окисления одной молекулы глюкозы образуется 38 молекул АТФ.)

Процесс полного окисления глюкозы в клетке можно выразить общим суммарным уравнением:

С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ –> 6СО₂ + 38 АТФ.

Всего на трех этапах биологического окисления одной молекулы глюкозы образуется 38 молекул АТФ. Часть молекул расходуется на сами процессы окисления, а 21 молекула АТФ передается в цитоплазму для обеспечения работы других клеточных структур.

Работа в группах: Каждой группе предлагается одинаковый набор карточек с названиями исходных веществ и продуктов на каждом этапе энергетического обмена. 1 группа выбирает вещества для подготовительного этапа, 2 группа для бескислородного расщепления, 3 группа для кислородного расщепления. При помощи магнитов укрепить выбранные карточки на доске.

1. Работа учащихся с тестом.
2. Решите задачу.

Процесс окисления глюкозы в клетке сходен с горением. Как при горении, так и при дыхании глюкоза окисляется при участии молекулярного кислорода до конечных продуктов – углекислого газа и воды с выделением энергии. Объясните, чем же отличаются эти процессы, если их можно выразить общим суммарным уравнением:

С₆Н_|2О₆ + 6О₂ –> 6СО₂+ 6Н₂О + Энергия?

Вопрос: Какой из этапов энергетического обмена более древний и почему?

1. На чем основывается утверждение ученых, что гликолиз появился в живой природе раньше кислородного расщепления?
2. Замените одним словом выделенную часть каждого утверждения.

• Ферментативный и бескислородный процесс распада органических веществ в клетке наблюдается у бактерий.
• Совокупность окислительных процессов расщепления молекул органических веществ с участием кислорода – свойство клеток высших растений и большинства животных.

Подведение итогов. Дом. задание.

Закончить предложение:

• “Знания полученные на уроке мне необходимы…”
• “Я получил полезную информацию о том, что…”

Литература

1. Каменский А.А., Криксунов Е.А., Пасечник В.В. Биология.
2. Введение в общую биологию и экологию: учеб. для 9 кл. общеобразоват. учреждений А.А. Каменский.– 6-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2005. – 303 с.
3. Пепеляева О.А., Сунцова И.В. Поурочные разработки по общей биологии: 9 класс. – М.: ВАКО, 2006.– 464 с.