Эволюционные преобразования обмена веществ

Цели урока.

Образовательные.

1. Систематизировать знания учащихся о процессах метаболизма.
2. Продолжить углубление знаний о типах обмена веществ, их возникновении и эволюции в органическом мире.

Воспитательные.

1. Содействовать формированию экологического воспитания учащихся.
2. Способствовать формированию трудовых и учебных навыков.
3. увеличить эффективность использования изучаемых вопросов в жизни, практической деятельности.
4. Использовать специальные приёмы поддержания работоспособности учащихся.

Развивающие.

1. Способствовать развитию познавательного интереса  учащихся, внося в содержание  урока элементы новизны.
2. Развивать навыки культуры речи.
3. Содействовать развитию творческих способностей учащихся, используя элементы исследовательской технологии в ходе урока.
4. Продолжить развитие ИКТ-компетентностей учащихся.
5. Развивать коммуникативные и рефлексивные качества личности.
6. Совершенствовать работу учащихся с дополнительной информацией.

Задачи урока.

1. Систематизировать знания о процессах обмена веществ, выделить ключевые реакции брожения (гликолиза), фотосинтеза, хемосинтеза, аэробного энергетического процесса.
2. Проследить возможность происхождения и эволюцию этих процессов прокариот
3. Определить значение этих процессов в природе, в жизни человека. Привести доказательства.

Семинар рассчитан на 2 часа (сдвоенных) в классах с углубленным изучением биологии и химии.

Класс делится на 5 групп, 1, 2, 3, 4 группы выбирают процессы обмена веществ из перечисленных для представления на семинаре, 5 – разрабатывает вопрос о концепциях возникновения эукариот.

Каждая группа в конце семинара выставляет и обосновывает оценки каждому участнику своей группы и общие оценки другим группам.

Оборудование.

• Таблицы и плакаты.
• Микроскопы, препараты молочнокислых бактерий.
• Кефиры, йогурты, посуда для дегустации.
• Фрукты, посуда для дегустации.
• Наборы осадочных пород.
• Магнитофон для музыкального сопровождения спортивных упражнение.
• Проектор, мультимедийная презентация.

Ход семинара

1. Вводная часть.

Героем нашего семинара будет прокариотическая клетка. Прокариоты – древнейшие организмы, их возраст оценивается около 3,8 млрд. лет. Они безраздельно господствовали на Земле более 2 млрд. лет и определили дальнейшую эволюцию. Природа отработала на прокариотах самые разнообразные типы обмена веществ, прежде чем стал возможным переход от прокариот к эукариотам 1,5 млрд. лет тому назад. В связи с этим тема семинара “Эволюционные преобразования обмена веществ”. В наших обсуждениях мы будем исходить из того, что первые прокариоты были гетеротрофами, существовали в условиях “первичного бульона”, в экстремальных условиях бескислородной первичной биосферы. Поэтому первыми процессами, которые могли появиться у прокариот, были анаэробное дыхание (брожение), далее возникли фотосинтез и хемосинтез (бескислородный) и наконец, после насыщения атмосферы кислородом, появился аэробный энергетический процесс.

2. Первая группа представляет анаэробное дыхание.

Первичные бактерии могли быть гетеротрофами, в качестве источников углерода (С) использовали органические вещества первичного бульона (слайд 2. Презентация). Пластический обмен у них, как и у всех гетеротрофов, сводился к процессам перестройки органических молекул. При высокой способности к перестройке веществ организму достаточно одного-единственного органического вещества, чтобы синтезировать все необходимые вещества. Энергию эти организмы получали в процессе бескислородного расщепления небольших органических молекул, например брожения (слайды 3, 4, 5). Для осуществления этих процессов у прокариот появились следующие приспособления:

а) субстратное фосфорилирование АДФ в АТФ, сопряженное с дегидрированием органических молекул.

б) коферменты дегидрогеназ

НАД⁺ + 2е + 2Н⁺ = НАДН + Н⁺

Далее учащиеся останавливаются на ключевых реакциях гликолиза (брожения) (слайды 6, 7) и оценке процесса:

а) энергетически процесс невыгодный, расточительный: 2 молекулы АТФ на 1 молекулу глюкозы.

б) процесс относительно простой и требует для своего осуществления одного потока вещества, из которого образуется окончательный акцептор электронов (окислитель) – ПВК (пировиноградная кислота). Кислород не нужен.

в) в ходе брожения образуются промежуточные вещества, которые используются для биосинтеза различных органических веществ.

г) процессы брожения привели впоследствии к гликолизу эукариот, который является энергетическим стержнем метаболизма у всех организмов.

Значение. Процессы брожения, распространенные в мире бактерий, широко используются человеком (молочнокислые, спиртовые, уксуснокислые, маслянокислые бактерии (слайд 8).

Демонстрация микропрепарата лактобактерий. Дегустация молочнокислых продуктов.

3. Вторая группа представляет варианты бактериального фотосинтеза

Первыми автотрофами были анаэробные хемосинтетики и фотосинтетики, некоторые из них до сих пор существуют в современной биосфере, рассмотрим фотосинтезирующие бактерии зеленые, пурпурные и цианобактерии (слайды 9, 10, 11).

В качестве источника углерода они использовали углекислый газ.

Для биосинтетического окисления углекислого газа до глюкозы необходимы высокоэнергетичные электроны, Н⁺, переносчики электронов и протонов, дополнительные источники энергии для перевода электронов на высокие энергетические уровни, АТФ. В ходе эволюции в условиях прекращения абиогенного образования органических веществ появились новые приспособления:

а) появление ЭТЦ с протонным насосом для фотоокислительного фосфорилирования АДФ до АТФ. Предполагают, что впервые ЭТЦ возникает у архебактерий как приспособление к жизни в условиях высокой кислотности среды. Выживают эти бактерии в таких экстремальных условиях благодаря накачиванию Н⁺ извне и использованию образовавшегося градиента концентрации для совершения разнообразной работы.

б) эти организмы должны были использовать доноры электронов (восстановители). Первым таким веществом был сероводород (слайд 9), а впоследствии, у цианобактерий – вода.

в) появились фотосистемы с хлорофиллом для улавливания энергии света.

У первых фотосинтетиков – фотосистемы І (Р-700), они могли использовать в качестве доноров электронов сероводород, а затем у цианобактерий, наряду с фотосистемой І, появилась фотосистемы ІІ (Р-680). Последние стали использовать воду, атмосфера стала обогащаться кислородом.

г) Появились переносчики высокоэнергетических электронов НАДФ.

Таким образом, создав НАДФ, природа разделила процессы биосинтетического восстановления от биологического окисления.

Далее, учащиеся показывают ключевые реакции световой и темновой фаз фотосинтеза (слайды 12, 13, 14, 15, 16, 17).

Значение цианобактерий и растений в современной биосфере.

Валеологическая пауза: дыхательные упражнения, дегустация продуктов фотосинтеза (бананы, апельсины).

4. Третья группа представляет хемосинтез

В отличие от фотосинтеза источником энергии у хемосинтетиков служит не свет, а окислительно-восстановительные реакции неорганических веществ. Хемосинтез, как и фотосинтез, включает преобразование энергии и вещества. Преобразование углекислого газа в углеводы у них, в основном, происходит таким же путем, как и при фотосинтезе. Необходимые для этого продукты преобразования энергии те же НАДФН+Н⁺ и АТФ. Для получения этих веществ используется ЭТЦ.

Основные группы бактерий – хемосинтетиков: серные, нитрифицирующие, железобактерии, марганцевые (слайды 18, 19).

Значение хемосинтетиков (слайд 20). Валеологическая пауза. Демонстрация осадочных пород – как доказательства деятельности хемосинтетиков.

5. Четвертая группа представляет аэробный энергетический процесс.

Цианобактерии радикально изменили экологические условия на Земле, постоянно выделяя кислород. В кислородной биосфере стало возможным усовершенствование энергетических процессов гетеротрофов. Повысить энергетический выход биологического окисления можно было, используя экзогенный окислитель (низкомолекулярный). Но для этого, надо было приспособить мембранную ЭТЦ с протонным насосом для переноса электронов с НАДН+Н⁺ и ФАДН+Н⁺ к окислителю для окислительного фосфорилирования АДФ в АТФ. Наиболее выгодным акцептором оказался кислород, хотя некоторые анаэробные прокариоты используют SO₄^2-, NO₃^-, Fe²⁺ (слайды 21–23). Впервые для полного окисления органических веществ кислород стал использоваться прокариотами, впоследствии эукариотами в митохондриях.

Ключевые реакции аэробного процесса в митохондриях (слайды 24– 27).

Оценка аэробного энергетического процесса (слайд 28).

Валеологическая пауза. Под музыку выполняются физические упражнения 3-5 минут.

Решение биохимической задачи. Какое количество глюкозы необходимо для получения 300 кДж энергии (энергия, затраченная для выполнения упражнений).

а) в аэробном энергетическом процессе,

б) в гликолизе (рис.27).

6. Пятая группа представляет две концепции происхождения эукариот: аутогенную и симбиотическую

Первая концепция предполагает, что происхождение эукариотической клетки и ее органоидов связано с процессом впячивания клеточной мембраны (слайд 29).

Согласно второй гипотезе, митохондрии, пластиды и базальные тельца ресничек и жгутиков эукариотической клетки были когда-то свободноживущими прокариотическими клетками, которые превратились в органоиды в процессе симбиоза (слайд 30). В последние годы наметилось объединение представлений о путях становления эукариотической клетки. Основными этапами этого процесса могут быть (по De Duve, К.В.Галактионов): этап утраты клеточной стенки, приобретение способности менять форму тела, приобретение способности к фагоцитозу; уход внутрь клетки наружной мембраны с ансамблями ферментов – начало формирования клеточных компартментов, в том числе ядра с хромосомами; этап формирования жгутикового аппарата, начало дифференциации наружной плазматической мембраны и цитомембран, появление аппарата Гольджи; этап приобретения митохондрий, этап приобретения хлоропластов (слайд 31).

Выводы об особенностях строения и процессах жизнедеятельности прокариот и эукариот.

7. Обсуждение результатов семинара. Выставление оценок.

Литература

1. С.Г. Мамонтов, В.Б.Захаров, Н.И. Сонин “Общая биология 10-11 классы: учебник для профильного обучения”. “Дрофа”. 2009 г.
2. А.О. Рувинский “Общая биология: учебник для 10-11 классов с углубленным изучением биологии в школе”. Москва. “Просвещение”. 2004 г.
3. Д.Тейлор, Н.Грин, У.Стаун. “Биология”. Москва. “Мир”. 2004 г.
4. К.В. Галактионов “Современное многообразие живого и пути его становления.” Санкт-Петербург. 2002 г.
5. Кристиан де Дюв “Путешествие в мир живой клетки” Москва “Мир”. 1987 г.

Презентация