Энергетический обмен в клетке

Цели: продолжить углубление и расширение знаний о метаболизме, раскрыв сущность энергетического обмена — катаболизма; подвести учащихся к выводу о значении АТФ как универсального аккумулятора энергии в клетке; познакомить учащихся с характерными особенностями трех этапов энергетического обмена, ролью ферментов в реакциях обмена веществ.

Оборудование: таблица “Схема энергетического обмена”.

Ход урока

I. Организационный момент

II. Проверка домашнего задания

1. Индивидуальная работа по карточкам (См. приложение 2).

2. Фронтальный контроль знаний.

Игра “Найди пару”.

Учащимся раздаются 2 типа карточек: на одной записаны термины, на другой — расшифровка понятий.

По выбору учителя (или по желанию ученика) один из учащихся зачитывает карточку, на которой раскрыто содержание определения какого-либо термина. Тот учащийся, у которого находится карточка с названием этого термина встает и громко его зачитывает. Если термин был назван правильно, то второй ученик получает обе зачитанные карточки. Затем он зачитывает свою карточку с содержанием определения какого-либо термина и т.д., пока не будут найдены все пары карточек. Если пара была определена неверно, то на поставленный вопрос могут ответить другие учащиеся, при этом обе карточки получит тот, кто правильно назовет термин. Работу наиболее активных учащихся учитель может оценить (по количеству набранных пар карточек).

Примерные варианты карточек:

Карточки с терминами	Карточки с определениями
1. Автотрофы 2. АДР 3. Бактерии 4. Вирусы 5. АТФ 6. Анаболизм 7. Гетеротрофы 8. Гомеостаз	1. Вещество, образующееся в результате отщепления от молекулы АТФ одного остатка молекулы фосфорной кислоты.
	2. Организмы, синтезирующие органические вещества из неорганических.
	3. Совокупность реакций синтеза органических веществ в клетке или организме, идущих с затратами энергии.
9. Биосинтез 10. Метаболизм 11. Паразит 12. Метаболит 13. Катаболизм 14. Сапрофития 15. Ферменты 16. Паразит	4. Вещество, выполняющее роль аккумулятора энергии в клетке, состоящее из азотистого основания аденина, углевода рибозы и трех остатков фосфорной кислоты.
	5. Одноклеточные организмы, не имеющие оформленного ядра.
	6. Вирус, пожирающий клетки бактерий.
	7. Процесс образования сложных органических веществ из более простых в живых организмах с участием ферментов.
	8. Организмы, питающиеся готовыми органическими веществами.
	9. Состояние относительного динамического равновесия системы, поддерживаемого за счет механизмов саморегуляции.
	10. Совокупность реакций окисления органических веществ в клетках живых организмов, сопровождающихся освобождением энергии и запасанием ее в молекулах АТФ.
	12. Совокупность всех химических реакций, протекающих в клетке.
	13. Любое вещество, возникающее в организме в результате реакций метаболизма.
	14. Организм, питающийся органическим веществом другого живого существа, при этом приносящий ему вред.
	15. Питание “мертвым” органическим веществом (растительным опадом, трупами, различными остатками, детритом).
	16. Биологические катализаторы.

III. Актуализация опорных знаний

На доске записаны слова:

Учитель предлагает вспомнить вещество, связанное со всеми выписанными словами, определить его роль в клетке.

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

АТФ + Н²0 = АДР + Н³Р0₄+ 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. Следовательно, запас АТФ должен непрерывно пополняться на основе обратной реакции, идущей с затратой энергии:

АТФ + Н³Р0₄+ энергия = АТФ + Н²0.

— Откуда берется энергия для этой обратной реакции?

IV. Сообщение темы урока, его целей

V. Изучение новой темы

— Энергию (АТФ) живые существа могут получать несколькими способами.

Учитель обращает внимание ребят на схему.

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 па 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) неполное окисление органических веществ;

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

Начальные этапы обоих видов окисления протекают сходным образом.

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

(Учитель обращает внимание учащихся на рис. 18, с. 40 учебника И.Н. Пономаревой; в учебнике А.А. Каменского такая схема отсутствует, схему необходимо зарисовать на доске.)

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

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 молочнокислое, маслянокислое 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.

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 накопление молочной кислоты путем брожения в мышечных клетках происходит при интенсивной физической нагрузке. Кроме того, хрусталик и роговица глаза человека слабо снабжаются кровью, поэтому и окислительный метаболизм выражен незначительно, а энергия в основном образуется при сбраживании глюкозы до молочной кислоты.

Подведем итог:

1. Продуктами гликолиза являются ПВК и энергия в форме АТФ.

2. ПВК преобразуется в молочную кислоту.

В суммарном виде это можно представить в виде уравнения:

60% теплота

С₆Н₁₂0₆ → С₃Н₆0₃+ Q

40% АДФ + Н₃Р0₄ + энергия = АТФ + Н₂0

3. В ходе бескислородного расщепления глюкозы 40% выделившейся энергии запасается в виде АТФ (2 моль), 60% рассеивается в виде тепла.

4. Гликолиз существует у подавляющего большинства клеток как промежуточный этап более совершенного энергетического процесса — аэробного (кислородного) расщепления субстрата (органического вещества).

На третьей стадии энергетического обмена происходит дальнейшее окисление продуктов гликолиза до углекислого газа и воды с помощью окислителя 0₂ 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:

2С₃Н₆О₃ + 6O² + 36 АДФ + 36 Н₃Р0₄ -> 36 АТФ + 6С0₂+ 42Н₂0.

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.

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

С₆Н₁₂O₆ + 6О₂ → 6С0₂+ 38 АТФ.

Дополнительный материал

Интересно, что некоторые бактерии могут проводить дыхание и в отсутствие кислорода, используя в качестве окислителя органического вещества сульфат, нитрат или карбонат. Эти ионы могут восстанавливаться, принимая электроны от органического вещества. Такое бескислородное дыхание лишь на 10% менее эффективно, чем кислородное, но может осуществляться при отсутствии воздуха (например, в уплотненной почве, илах на дне водоемов).

Таким образом, бактерии могут получать энергию всеми возможными способами, большинство из которых (родопсиновый фотосинтез, фотосинтез без выделения 0₂, хемосинтез, многие виды брожения, бескислородное дыхание) недоступны эукариотам.

VI. Закрепление

1. Работа учащихся с тетрадью, схемами, таблицей “Схема энергетического обмена”.

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:

С₆Н₁₂О₆ + 60₂ → 6С0₂+ 6Н₂0 + Энергия?

Домашнее задание

Учебник А.А. Каменского, §2.9, вопрос № 2, с. 64.

Учебник И.Н. Пономаревой, §12, задание № 3, с. 42.