Энергетический обмен.

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” 

Ход урока

I. Актуализация знаний: На доске записаны слова:

Аденин, рибоза, энергия, остаток фосфорной кислоты, митохондрия, аккумулятор, макроэргическая связь.

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.

Фронтальная беседа:

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?

II. Изучение нового материала.

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:

1) бескислородное окисление органических веществ;

2) кислородное окисление органических веществ до углекислого газа и воды.

Начальные этапы обоих видов окисления протекают сходным образом.

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

Этапы энергетического обмена

Подготовительный этапБескислородный этап
ГликолизКислородный этапГде происходит расщепление?В органах пищеварения, в клетках под действием ферментовВнутри клеткиВ митохондрияхЧем активизируется расщепление?Ферментами пищеварительных соковФерментами мембран клетокФерментами митохондрийДо каких веществ расщепляются соединения клетки?Белки – аминокислоты
Жиры – глицерин и жирные кислоты
Углеводы – глюкозаГлюкоза(С6Н12О6) 
2 молекулы пировиноградной кислоты (С3Н4О3) + энергияПировиноградная кислота до СО2 и Н2ОСколько выделяется энергии?Мало, рассеивается в виде тепла.За счет 40% синтезируется АТФ, 60% рассеивается в виде теплаБолее 60% энергии запасается в виде АТФСколько синтезируется энергии в виде АТФ?____________2 молекулы АТФ36 молекул АТФ

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.

III. Первичная проверка усвоения знаний.

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.

Белки
Жиры
Углеводы
Аминокислоты
Глицерин
Жирные кислоты
ГлюкозаПировиноградная кислота
2 молекулы АТФ
Кислород
36 молекул АТФ
СО2
Н2О 
 

IV. Закрепление

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.

Рефлексия:

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.