Урок по курсу "Общая биология" по теме: "Энергетический обмен в клетке"

Тема: Энергетический обмен в клетке.

Цели урока:

- Углубить, расширить знания о метаболизме на основе изучения сущности энергетического обмена.

- Сформировать знания о трех этапах энергетического обмена на примере углеводного обмена.

- Познакомить с понятиями: фосфорилирование, гликолиз, спиртовое брожение, клеточное дыхание, цикл Кребса.

- Обучающиеся должны уметь самостоятельно прорабатывать учебный материал, сравнивать способы дыхания, выделять главное, “читать” схемы.

- Способствовать формированию научного мировоззрения, коммуникативных навыков у обучащихся.

- Научить составлять и решать задачи по теме “Энергетический обмен”.

Основные понятия: Фосфорилирование. Подготовительный этап. Бескислородный этап (гликолиз, спиртовое брожение). Полное кислородное расщепление, или клеточное дыхание.

Оборудование:

• Компьютер,

• мультимедийный проектор,

• презентация «Энергетический обмен в клетке»,

• раздаточный материал: рабочая таблица для заполнения (Приложение 1),задачи (Приложение 2),

• Таблицы «Строение клетки», «Строение митохондрий».

Характер познавательной деятельности:

• Репродуктивная - слушаю, запоминаю, работю со схемами, с таблицей.

• Продуктивная - поисково-исследовательская - решить задачу, что-то отыскать.

• Творческая - решении той или иной задачи повышенной сложности.

Этапы урока:

1. Проверка знаний о сущности гомеостаза, метаболизме и составляющих его процессов; о роли ферментов в метаболизме.

Фронтальный опрос:

1. Что называют гомеостазом?

2. Почему нарушение гомеостаза какой- либо биологической системы опасно?

3. В чем сущность метаболизма? Назовите типы его обменов. Что такое ассимиляция?

4. Какое название получила совокупность реакций органических веществ?

5. Приведите пример пластического обмена в жизнедеятельности растений?

6. Какова главная особенность энергетического обмена?

7. Сформулируйте свое определение метаболизма.

8. Что означает выражение «специфичность фермента»?

9. Какие условия можно считать оптимальными для функционирования ферментов в биологических системах?

2. Актуализация знаний.

Вопросы для беседы.

1. Назовите основной источник энергии на Земле. Как аккумулируется эта энергия? Слайд 2.

Ответ обучающихся:

- Основной источник энергии на Земле - это Солнце. Солнечная энергия в результате сложного многоступенчатого процесса фотосинтеза аккумулируется в виде органических веществ - белков, жиров, углеводов и АТФ.

- Животные организмы не способны использовать энергию света и получают её за счёт окисления органических соединений, поступающих с пищей. Для всех организмов характерен обмен веществ или метаболизм.

2. Вспомните, какие виды обмена веществ вам известны? Слайд 3.

Ответ обучающихся: Энергетический и пластический.

Метаболизм

Энергетический обмен Пластический обмен

Диссимиляция (катаболизм) Ассимиляция (анаболизм)

3.Что представляет собой процесс ассимиляции или анаболизм веществ? 

Ответ обучающихся: Реакции синтеза.

4.Что представляет собой процесс диссимиляции или катаболизм? 

Ответ обучающихся: Химическое расщепление – распад веществ до конечных продуктов.

3. Изучение нового материала.

Вводная беседа о диссимиляции как о расщеплении органических веществ в клетке, обеспечивающем сложные реакции фосфорилирования; об этапах диссимиляции – двух или трех, в зависимости от специфики организма и условий его обитания.

Задание. На доске записаны слова: аденин, рибоза, энергия, остаток фосфорной кислоты, митохондрия, аккумулятор, макроэргическая связь.

Необходимо вспомнить вещество, связанное со всеми выписанными словами, определить его роль в клетке. Слайд 4.

Ответ обучающихся: Единым и универсальным источником энергии в клетке является АТФ, которая образуется в результате окисления органических веществ. Слайд 5.

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

АТФ + Н₂ О = АДФ + Н₃РО₄ + энергия

Известно, что в среднем содержание АТФ в клетках составляет от 0,05 % до 0,5% её массы. Но практически все идущие в клетках биохимические реакции требуют затрат энергии молекул АТФ. Следовательно, запас АТФ должен непрерывно пополняться на основе реакции, идущей с затратой энергии:

АДФ + Н ₃РО ₄ + энергия = АТФ + Н ₂ О

Это реакция фосфорилирования, т.е. присоединения одного остатка фосфорной кислоты к молекуле АДФ (аденозиндифосфата). На эту реакцию затрачивается энергия, и теперь эта энергия находится в форме энергии химических связей АТФ. Вы уже знаете, что при распаде АТФ до АДФ клетка за счет макроэргической связи в молекуле АТФ получит приблизительно 40 кДЖ энергии. Слайд 6.

«Рост, размножение, подвижность, возбудимость, способность реагировать на изменение внешней среды - все эти свойства живого, в конечном счете неразрывно связаны с определенными химическими превращениями, без которых ни одно из этих проявлений жизнедеятельности не могло бы существовать» В.А. Энгельгардт 

Слайд 7.

Сообщение темы урока (запись в тетрадь), его целей. Слайды 8, 9.

Цель нашего урока:

• Сформировать знания о трех этапах энергетического обмена на примере углеводного обмена.

• Дать характеристику реакциям энергетического обмена.

• Уметь из сложного материала классифицировать и обобщить материал по этапам, видам и по месту их протекания.

1. С поступлением пищи в организм начинается энергетический обмен. Слайд 10.

Энергетический обмен (катаболизм) - это совокупность реакций ферментативного расщепления сложных органических соединений, сопровождающихся выделением энергии. (Запись в тетрадь).

Часть энергии рассеивается в виде тепла, а часть аккумулируется в макроэргических связях АТФ и используется затем для обеспечения разнообразных процессов жизнедеятельности клетки: биосинтетических реакций, поступления веществ в клетку, проведения импульсов, сокращения мышц, выделения секретов и др. Он состоит из трёх этапов. Слайд 11.

Обучающие получают рабочую таблицу (Приложение 1) и по ходу изучения темы заполняют ее.

ЭТАПЫ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБМЕНА

у АЭРОБОВ у АНАЭРОБОВ

1.Подготовительный 1. Подготовительный

2.Бескислородный 2. Бескислородный

3.Кислородный

Каждый из этих этапов делится на отдельные звенья и представляет собой цепь биохимических процессов. Процессы строго упорядочены. Все реакции осуществляются при участии ферментов - ферментативный конвейер.

1. Характеристика этапов энергетического обмена. Слайд 12.

Первый этап – подготовительный. Слайд 13.

Происходит в пищеварительном тракте, внутри клетки в лизосомах под действием ферментов.

? Что происходит с органическими веществами в процессе пищеварения? Слайды 14, 15.

Ответ обучающихся: Сложные органические вещества расщепляются до простых соединений или мономеров.

Белки----------аминокислоты

Липиды--------глицерин + жирные кислоты

Углеводы------глюкоза

Мономеры вместе с кровью поступают в клетки, где претерпевают дальнейшие изменения.

? Что происходит с энергией при расщеплении всех этих веществ?

Ответ обучающихся: Энергия рассеивается в виде тепла.

Второй этап – гликолиз. Слайд 16.

Осуществляется в цитоплазме клеток без участия кислорода, поэтому его ещё называют бескислородный или неполное расщепление.

Наиболее доступным источником энергии в клетке является продукт распада полисахаридов – глюкоза, то второй этап энергетического обмена мы рассмотрим на примере ее бескислородного расщепления. Слайд 17.

ВИДЫ РАСЩЕПЛЕНИЯ ГЛЮКОЗЫ

ГЛИКОЛИЗ СПИРТОВОЕ МОЛОЧНО - КИСЛОЕ

БРОЖЕНИЕ БРОЖЕНИЕ

А) Гликолиз – процесс расщепления углеводов в отсутствии кислорода под действием ферментов. Слайд 18.

Где происходит? В клетках животных.

Что происходит? Глюкоза с помощью ферментативных реакций окисляется.

С₆Н₁₂О₆ + 2 Н₃РО₄ +2 АДФ = 2 С₃Н₄О₃ + 2 АТФ +2 Н₂О

глюкоза фосфорная ПВК вода

кислота

Итог: энергия в виде 2 молекул АТФ. 

Б) Спиртовое брожение. Слайд 19.

Где происходит? В растительных и некоторых дрожжевых клетках вместо гликолиза.

Что происходит и образуется? На спиртовом брожении основано приготовление вина, пива, кваса. Тесто, замешанное на дрожжах, даёт пористый, вкусный хлеб.

С₆Н₁₂О₆ + 2 Н₃РО₄ +2 АДФ = 2 С₂Н₅ОH + 2 CO₂ + 2 АТФ +2 Н₂О

глюкоза фосфорная этиловый вода

кислота спирт

В) Молочно - кислое брожение. Слайд 20.

Где происходит? В клетках человека животных, в некоторых видах бактерий и грибов.

Что образуется? При недостатке кислорода – молочная кислота. Лежит в основе приготовления кислого молока, простокваши, кефира и др. молочнокислых продуктов питания.

ИТОГ: 40% энергии запасается в АТФ, 60% рассеивается в виде тепла в окружающую среду. В результате ферментативного бескислородного расщепления глюкоза распадается не до конечных продуктов (СО2, Н2О), а до соединений которые еще богаты энергиейи, окисляясь далее, могут дать большое количество энергии.

Третий этап – кислородное расщепление. Слайд 21.

Третий этап энергетического обмена – кислородное расщепление. Данный этап происходит при участии кислорода и воды, поэтому его ещё называют аэробное дыхание и гидролиз. Аэробное дыхание осуществляется в митохондриях. Для того, чтобы понять механизм аэробного дыхания, нужно вспомнить строение митохондрий.

(Один из обучающихся рассказывает о строении митохондрий.)

Аэробное дыхание связано с матриксом митохондрий и внутренней мембраной. В этом процесс принимают участие, кроме субстратов ещё:

1. ферменты

2. молекулы-переносчики

3. молекулярный кислород

4. вода.

Основное условие нормального течения кислородного процесса - целостность митохондриальных мембран.

Этапы кислородного окисления: Слайд 22, 23 .

а) цикл Кребса -

циклический ферментативный процесс полного окисления органических веществ, образовавшихся в процессе гликолиза до углекислого газа, воды и энергии запасаемой в молекулах АТФ.

б) окислительное фосфорилирование.

Ханс Адольф Кребс (1900-81) Британский биолог немецкого происхождения. В 1953 г. вместе с Фрицем ЛИПМАНОМ получил Нобелевскую премию в области физиологии и медицины за открытие ЦИКЛА КРЕБСА, процесса, результатом которого является производство энергии в живых организмах (ДЫХАНИЕ). 

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 СО₂, Н ₂О и энергии, запасаемой в молекулах АТФ. Слайд 24.

Процесс кислородного расщепления молочной выражается уравнением: Слайд 25.

2 С₃Н₆О₃ + 6 О₂ + 36 АДФ + 36 Н₃РО₄ = 6 СО₂ + 42 Н₂О + 36 АТФ

??? Подумай и ответь

1.Почему при разрушении митохондрий в клетке будет наблюдаться снижение уровня активности, а затем приостановка жизнедеятельности клетки?

2. Сколько всего молекул АТФ образуется в результате энергетического обмена?

Просуммировав это уравнение с уравнением гликолиза получим итоговое уравнение: Слайд 26.

С₆Н₁₂О₆ + 2 АДФ + 2 Н₃РО₄ = 2 С₃Н₆О₃ + 2 АТФ + 2 Н₂О

2 С₃Н₆О₃ + 6 О₂ + 36 АДФ + 36 Н₃РО₄ = 6 СО₂ + 36 АТФ + 42 Н₂О

_____________________________________________________________

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

С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ = 6 СО₂ + 38 АТФ

Это уравнение показывает, что в результате полного расщепления глюкозы образуются конечные продукты распада – вода и углекислый газ, а самое главное – синтезируется 38 молекул АТФ, в которых запасается большая часть энергии.

Аналогичным образом в энергетический обмен могут вступать белки и жиры. При расщеплении аминокислот помимо диоксида углерода и воды образуются азотсодержащие продукты (аммиак, мочевина), выводящиеся через выделительную систему.

Вывод: Слайды 27 -30.

В организме всех живых существ ежедневно, ежечасно, ежесекундно происходит процесс катаболизма. Любое нарушение этого процесса может привести к непоправимым последствиям! И чтобы этот процесс не нарушился необходимо: …

1. Для образования энергии

необходим чистый воздух, т.е. кислород.

1. Для образования энергии

необходимы питательные вещества.

1. Для образования энергии

необходимы биологические катализаторы, т.е. ферменты.

1. Для образования энергии

необходимы биологические активаторы, т.е. витамины.

Значение дыхания:

• В результате окисления сохраняется равновесие между синтезом органики и её распадом.

• СО2 используется для образования карбонатов, накапливается в осадочных породах, для процесса фотосинтеза.

• Сохраняется равновесие между кислородом и углекислым газом в атмосфере.

Рекомендации:

1. Постоянно проветривать помещение,

больше гулять на свежем воздухе.

2. Употреблять полноценную пищу, богатую белками, углеводами, жирами.

3. Не исключать из рациона питания молочно -кислые продукты.

4. Не забывать о витаминах.

Этап рефлексии. Слайд 31.

Продолжите предложения.

Наш урок подошёл к концу, и я хочу сказать:

- для меня было открытием то, что...

- сегодня на уроке мне удалось (не удалось)...

Домашнее задание: Слайд 32.

п.22.

Задачи - Приложение 2.

? Как взаимосвязаны анаболизм и катаболизм в едином процессе

обмена веществ?

Закрепление полученных знаний путём решения задач: Слайды 33-35.

Задание № 3, задача 1 из Приложения 2.

Литература: Слайды 36.

• Каменский А. А., Криксунов Е. А., Пасечник В. В. Общая биология 10-11 класс. – М.: Дрофа, 2007, - 367с.

• Каменский А. А., Криксунов Е. А., Пасечник В. В. Введение в общую биологию и экологию. 9 класс. – М.: Дрофа, 2006, - 304с.

• Козлова Т. А. Тематическое и поурочное планирование по биологии к учебнику А.А. Каменского, Е. А. Криксунова, В. В. Пасечника «Общая биология: 10-11 классы» – М.: Издательство «Экзамен», 2006. – 286с.

• Пепеляева О.А., Сунцова И.В. Поурочные разработки по общей биологии.

9 класс. – М: «ВАКО», 2009.- 462 с.

• Лернер Г. И. Биология. Тематические тренировочные задания. – М.: Эксмо, 2009. – 168с.

Приложение 1.

Этапы	Химические реакции	Выход энергии	Образование АТФ
I этап - Подготовительный в пищеварительной системе.
II этап (анаэробный) – Гликолиз. Идет без О2 в цитоплазме клетки
III этап (аэробный) – Кислородное расщепление. Идет в присутствии О2 в митохондриях (клеточное дыхание).
Итоговое суммарное уравнение:

Приложение 2.

Задание №1. Укажите пункт, в котором правильно записан процесс расщепления органических веществ в организме животного:

А) белки — нуклеотиды — углекислый газ и вода

Б) жиры — глицерин + жирные кислоты — углекислый газ и вода

В) углеводы — моносахариды — дисахариды — углекислый газ и вода

Г) белки — аминокислоты — вода и аммиак.

Задание №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:

C₆ H₁₂ O₆ + 6 CO₂ = 6 CO₂ + 6 H₂ O + энергия?

Задание №3. Решение задач.

Задача 1. В процессе диссимиляции произошло расщепление 7 моль глюкозы, из которых полному (кислородному) расщеплению подверглось только 2 моль. Определите:

а) сколько молей молочной кислоты и углекислого газа при этом образовано;

б) сколько молей АТФ при этом синтезировано;

в) сколько энергии и в какой форме аккумулировано в этих молекулах АТФ;

г) Сколько молей кислорода израсходовано на окисление образовавшейся при этом молочной кислоты.

Задача 2. В результате диссимиляции в клетках образовалось 5 моль молочной кислоты и 27 моль углекислого газа. Определите:

а) сколько всего молей глюкозы израсходовано;

б) сколько из них подверглось только неполному и сколько полному расщеплению;

в) сколько АТФ при этом синтезировано и сколько энергии аккумулировано;

г) сколько молей кислорода израсходовано на окисление образовавшейся молочной кислоты.

Решение задачи 1.

1) Из 7 моль глюкозы 2 подверглись полному расщеплению, 5 – не полому (7-2=5):

2) составляем уравнение неполного расщепления 5 моль глюкозы; 5C₆H₁₂O₆ + 5•2H₃PO₄ + 5•2АДФ = 5•2C₃H₆O₃ + 5•2АТФ + 5•2H₂O;

3) составляет суммарное уравнение полного расщепления 2 моль глюкозы: 2С₆H₁₂O₆ + 2•6O₂ +2•38H₃PO₄ + 2•38АДФ = 2•6CO₂+2•38АТФ + 2•6H₂O + 2•38H₂O;

4) суммируем количество АТФ: (2•38) + (5•2) = 86 моль АТФ; 5) определяем количество энергии в молекулах АТФ: 86•40кДж = 3440 кДж.

Ответ к задаче 1:

а) 10 моль молочной кислоты, 12 моль CO₂;

б)86 моль АТФ;

в) 3440 кДж, в форме энергии химической связи макроэргических связей в молекуле АТФ;

г) 12 моль О₂

Ответ к задаче 2:

а) 7 моль;

б) 4,5 моль полному + 2,5 моль неполному;

в) 176 моль АТФ, 7040 кДж;

г) 27