Урок: Энергетический обмен в клетке. Расщепление глюкозы.
I. Тип урока: Урок изучение нового материала.
II. Цели урока:
Сформировать у учащихся правильное представление о двух этапах внутриклеточного энергетического обмена: бескислородном и кислородном. Научить учащихся сравнивать этапы энергетического обмена и выявлять причины их сходства и различия. Убедить учащихся в том, что процессы пластического и энергетического обмена тесно взаимосвязаны и не могут осуществляться друг без друга длительное время.
III. План урока:
1. Общее представление о внутриклеточном и энергетическом обмене.
2. Этапы энергетического обмена: подготовительный, бескислородный и кислородный.
3. Сущность бескислородного этапа энергетического обмена:
3.1. Основные превращения вещества и энергии при гликолизе.
3.2 Основные превращения вещества и энергии при спиртовом брожении.
4. Сущность кислородного этапа энергетического обмена.
5. Значение ферментов в реакциях энергетического обмена. Роль ступенчатого протекания процесса биологического окисления органических веществ в клетке.
IV. Учебное оборудование:
компьютер с мультимедийным проектором,
интерактивная доска,
интернактивный мультимедийный учебно-методический комплекс «Облако знаний»,
задачник по биологии: 9-11 классы.
Ход урока
Вспомним, что такое метаболизм.
Метаболизм – это обмен веществ и энергии с окружающей средой. Обмен веществ состоит из двух взаимосвязанных процессов: ассимиляции (пластического обмена) и диссимиляции (энергетического обмена).
Ассимиляция – синтез органических веществ в организме за счет внешних источников энергии (света, пищи). Диссимиляция - процесс распада сложных органических веществ с выделением энергии, которая затем расходуется организмом. В каждой клетке непрерывно происходят сложнейшие процессы, которые направлены на поддержание и обеспечение нормальной жизнедеятельности самой клетки и организма в целом. Синтезируются сложные высокомолекулярные соединения: из аминокислот образуются белки, из простых сахаров – полисахариды, из нуклеотидов – нуклеиновые кислоты. Клетки делятся и образуют новые органоиды, из клетки и в клетку активно транспортируются различные вещества. По нервным волокнам передаются электрические импульсы, сокращаются мышцы, поддерживается постоянная температура тела. На все эти и другие процессы, протекающие в организме, требуется энергия. Эта энергия образуется при расщеплении органических веществ. Совокупность реакций расщепления высокомолекулярных соединений, которые сопровождаются выделением и накоплением энергии и есть энергетический обмен или диссимиляция.
Большинству организмов на нашей планете для жизнедеятельности необходим кислород. Такие организмы называют аэробными. Энергетический обмен у аэробов включает в себя три этапа: подготовительный, бескислородный (анаэробный) и кислородный (аэробный).
Подготовительный этап энергетического обмена осуществляется в желудочно-кишечном тракте и в лизосомах клеток. Здесь высокомолекулярные соединения под действием пищеварительных ферментов распадаются до более простых, низкомолекулярных: белки – до аминокислот, полисахариды – до моносахаридов, жиры – до глицерина и жирных кислот. Низкомолекулярные вещества, образующиеся на подготовительном этапе, могут использоваться организмом для синтеза своих собственных органических соединений, т. е. вступать в пластический обмен или расщепляться дальше с целью запасания энергии. Выделяющаяся энергия не запасается в виде АТФ, а рассевается в виде тепла. В общем энергетическом балансе организма она не учитывается. Кислород при этом процессе не используется.
Переходим к изучению второго бескислородного этапа энергетического обмена, или этапа неполного расщепления глюкозы. В клетках животного организма этот процесс обычно протекает в форме гликолиза. Расщепляется именно глюкоза, так как она является энергетически емким веществом. Другие органические вещества так же могут распадаться на более мелкие молекулы, но в большинстве случаев – с меньшим энергетическим эффектом. Поэтому для получения свободной энергии клетка в основном использует процесс расщепления глюкозы. Все протекающие при этом химические реакции катализируются ферментами. На данном этапе энергетического обмена кислород не используется. Выделяющееся относительно небольшое количество энергии запасается в виде молекул АТФ. Если на этом этапе расщепляется одна молекула глюкозы, то она превращается в две молекулы молочной кислоты.
Объяснение учителя сопровождается демонстрацией на интерактивной доске Схемы 1 (Основные превращения при гликолизе).
Схема 1
Основные превращения при гликолизе
В клетках растительного организма бескислородный этап энергетического обмена протекает в форме спиртового брожения. При этом одна молекула глюкозы расщепляется с образованием двух молекул этилового спирта. Выделившаяся при этом свободная энергия также запасается в виде двух АТФ. Как и в превращениях при глюколизе, так и в превращениях при спиртовом брожении участвуют ферменты. Основные превращения при спиртовом брожении. Идет демонстрация Схема 2.
Схема 2
Основные превращения при спиртовом брожении
Кислородный этап энергетического обмена, или этап полного расщепления глюкозы. На третьем этапе в цепочку химических превращений вступают молекулы органических веществ, образовавшиеся на первом (бескислородном) этапе энергетического обмена. Расщепление этилового спирта или молочной кислоты идет до конечных продуктов распада – углекислого газа и воды. Для этого используется кислород. Две молекулы этилового спирта или две молекулы молочной кислоты в процессе расщепления выделяют большое количество энергии. Часть ее используется клеткой для образования 36 молекул АТФ. Таким образом, энергетический эффект кислородного этапа расщепления глюкозы в 18 раз выше бескислородного. При расщеплении одной молекулы глюкозы на двух этапах суммарно образуется 36 молекул АТФ. Идет демонстрация Схемы 3.
Схема 3
Основные химические превращения на кислородном этапе энергетического обмена
Рассмотренный выше процесс биологического окисления протекает ступенчато, при участии ряда ферментов. Это приводит к тому, что тепловая энергия выделяется постепенно и успевает использоваться клеткой или рассеиваться во внешней среде, не повреждая чувствительных к нагреванию белков, не вызывая их денатурации. В этом состоит главное отличие процессов окисления, протекающих в живых организмах, от горения. При биологическом окислении около 50% энергии разрушающихся органических веществ превращается в энергию АТФ и других молекул – носителей энергии. Синтез АТФ осуществляется на внутренних мембранах митохондрии. В анаэробных условиях эффективность энергетического обмена значительно ниже – всего две молекулы АТФ. Продукты брожения (этиловый спирт, молочная кислота, масляная кислота) в своих химических связях сохраняют еще много энергии, т. е. более выгодным в энергетическом отношении является кислородный путь диссимиляции. Но брожение более древний процесс, он мог осуществляться еще в древности, когда на Земле отсутствовал свободный кислород.
Выводы урока:
1. Энергетический обмен – поэтапное расщепление органических веществ в клетке, приводящее к освобождению энергии.
2. Энергетический обмен включает в себя три этапа: подготовительный, бескислородный (анаэробный), кислородный (аэробный).
3. Расщепление глюкозы на втором ( бескислородном) этапе приводит к образованию молочной кислоты или этилового спирта. Выделившаяся при этом энергия запасается в виде АТФ.
4. Расщепление молекулы молочной кислоты или этилового спирта осуществляется на кислородном этапе энергетического обмена и приводит к образованию конечных продуктов распада – углекислого газа и воды. Большое количество выделившейся энергии запасается в виде АТФ.
5. Процесс синтеза АТФ с поглощением энергии, выделившейся при расщеплении глюкозы и других органических веществ, осуществляется в митохондриях.
Домашнее задание:
Изучить материал учебника и ответить на вопросы, помещенные в конце параграфа.
