Конспект урока "Энергетический обмен в клетке"

Тема: « Энергетический обмен  ­  катаболизм». Цели урока:  ­ сформировать знания об энергетическом обмене, о роли ферментов и АТФ ­ продолжить развитие обще учебных навыков работы с различным источником     информации; умений и навыков организации самостоятельной учебной деятельности;     умение адекватно оценивать собственные достижения. Методы обучения: ­ словесный; наглядный; исследовательский; самостоятельная работа по учебному  материалу;   Формы организации познавательной деятельности:  ­ групповая,  индивидуальная, фронтальная. Оборудование: a)   Таблицы: ­ « энергообеспечение клеток», «этапы энергетического обмена»;  b)   Шаростержневая модель; четыре детские заводные игрушки;                                   c)   Раздаточный дидактический материал; карточки инструкции; e)   Контрольные карточки; листы самоконтроля; g)   Листы « Дополнительной информации» h) Литература: а) Учебник Захаров « Общие закономерности» б) Учебник Полянский « Общая биология» в) Учебник Рувинский « Общая биология» Работа в классе проводится через организацию индивидуальной работы учащихся в малых  группах сотрудничества. Учащиеся класса разделены на 4 группы по уровню обучаемости   это сделано для того, чтобы более сильный мог помочь слабому ученику.  Ход урока. Ориентировочно­мотивационный.  I. Учитель настраивает детей на то, что данный урок позволит каждому ученику  испытать, попробовать, выявить и актуализировать хотя бы некоторые из своих  дарований. Каждый ученик будет самостоятельно добывать знания, работая с  различным источником информации и одновременно в деловом общении со  сверстниками развивать коммуникативные умения и навыки, повышая  интеллектуальный уровень. II. Самопроверка с использованием контрольных карточек.                   ( учащиеся работают индивидуально)                    Образец карточки для самопроверки.  Установите последовательность реакций биосинтеза белка, выписав цифры в нужном  порядке: 1) снятие информации с ДНК; 2) узнавание антикодоном тРНК своего кодона на иРНК; 3) отщепление аминокислоты от тРНК; 4) поступление иРНК на рибосомы; 5)  присоединение аминокислоты к белковой цепи с помощью фермента.  Ответ: 1, 2, 3, 4, 5. Самоанализ знаний по итогам выполненной работы. III. Мотивация. Учитель зачитывает отрывок из известного произведения, который требует более  конкретного биологического объяснения. Герои романа Жюля Верна « Дети капитана Гранта» только собрались поужинать мясом  подстрелянной ими дикой ламы (гуанако), как вдруг выяснилось, что оно совершено  несъедобно. «Быть может, оно слишком долго лежало?» ­ озадачено спросил один из них. « Нет, оно, к  сожалению, слишком долго бежало!!!» ­ ответил учёный Паганель. ­ Мясо гуанако вкусно только тогда, когда животное убито во время отдыха, но если за  ним долго охотились и животное долго бежало, тогда его мясо несъедобно. Мог ли Паганель объяснить причину описанного им явления. Вряд ли! Но пользуясь  данными современной науки сделать это совсем не трудно. В причине данного явления  поможет нам разобраться тема урока: «Энергетический обмен. Синтез АТФ».  Знакомства с целевыми установками на урок. Основные понятия:  ­ энергетический обмен, гликолиз, цикл трикарбоновых кислот, окислительное  фосфорилирование (смотрите Приложение№2). Погружение в учебную деятельность. IV. Занимаясь умственной работой всегда тянет к шоколаду, причина в том что мозг  нуждается в питании чистой энергией, которая выделяется в реакциях энергетического  обмена.  Учитель составляет опорный конспект c кратким комментарием.                                                    Q Q = + РАСЩЕПЛЕНИЕ                                                     Q I. пища                       У          моносахариды     расщепление                        Ж          гл.и жиры                                    Б          аминокислоты  II. О2     цитоплазма  С6 Н12 О6                 2С3 Н6 О3   +Q                                                                              2АТФ  гликолиз молоко спирт III. Митох.         О2                 36                2С3 Н6 О3 + 6О2 = 6Н2 О + 6СО2 + Q Энергетическим обменом (Q) называется (=) совокупность (+) реакций расщепления, идущих с выделением энергии .  Энергетический  обмен   происходит  в  три этапа (I,   II,   III).    I   этап  называется  подготовительным и проходит в органах пищеварения. Он характерен для животных организмов  (пища). Здесь происходит расщепление пищи с выделением энергии,  причем белки расщепляются на аминокислоты,  углеводы — на моносахариды, жиры — на глицерин и жирные кислоты. Энергия, выделившаяся при этом, рассеивается в  виде тепла.  II этап ­ бескислородный , происходит в цитоплазме клеток. В процессе этого этапа молекула глюкозы расщепляется на  две молекулы молочной кислоты, при этом большая часть выделившейся энергии рассеивается в виде тепла, а часть  синтезируется  в виде двух молекул АТФ, при этом энергия   аккумулируется   в   химических   связях АТФ.  У  различных  организмов   энергетический обмен идет сходно с гликолизом. Это — спиртовое  брожение  и  молочнокислое  брожение.  III этап —  кислородный . Этап полного окисления происходит в митохондриях, он идет с участием кислорода,  поэтому  и носит такое название.  В   процессе  этого  этапа  происходит расщепление молочной кислоты до угле кислого газа и  воды, поэтому его называют дыханием Энергия, освобождающаяся в процессе расщепления одной молекулы глюкозы, аккумулируется в 38 молекулах АТФ. Синтез АТФ происходит в митохондриях в процессе расщепления органических  веществ. V.     Эмпирическая деятельность Продолжим нашу работу в группах. Старайтесь быть активными, общайтесь друг с  другом, высказывайте своё мнение. Для работы групп на столах имеются: 1.   Карточки – инструкции.        2.    Необходимое оборудование. 3. Листы самоконтроля.  4. Листы дополнительной информации             Для каждой группы определяется тема работы, цель работы, итоговый результат.       Время самостоятельной работы групп – не более 15 мин.  После окончания работы  группы представляют результаты своих отчетов и заполненный лист самоконтроля (см.  Приложение№1). Каждая группа рассказывает о своей проделанной работе. ( образцы карточек инструкций для каждой группы) Группа №1. « Энергообеспечение клеток» Цель: определить роль АТФ в энергетическом обмене. 1. Прочитайте § 42 учебник  Полянский стр.163­164 раздел « Роль АТФ в  энергетическом обмене». Обсудите: ­ использование и запасание энергии в молекулах АТФ  ­ составьте схему: «структура  АТФ» 2. Рассмотрите таблицу « Энергообеспечение клеток» Обсудите:  ­ в результате какого процесса клетка обеспечивается энергией  Установите взаимосвязь  логико ­ смысловой модели « АТФ – аккумулятор энергии» ( используйте лист дополнительной информации см. Приложение №2). 3. Для отчёта  составьте рассказ:                        ­ биологическая характеристика АТФ                       ­ значение АТФ                       ­ заполните лист самоконтроля (см. Приложение №1). Предполагаемый ответ:     Движение, биосинтез, генерация электричества, света и т.д. любые виды клеточной активности совершаются за счет  энергии, освобожденной в результате реакции   гидролиза АТФ. Но запас АТФ в клетке невелик. Так, в мышце запаса  АТФ хватает на 20—30 сокращений. Но ведь мышца может работать часами и производить тысячи сокращений. Вот  почему наряду с распадом АТФ необходим непрерывный ее синтез. Для восполнения израсходованной АТФ и  используется энергия, "освобождаемая в результате расщепления углеводов, липидов и других веществ. При усиленной, но кратковременной работе, например при беге на короткие дистанции, мышцы работают исключительно за счет  расщепления содержащейся в них АТФ. После окончания бега человек усиленно дышит — в этот период происходит  расщепление углеводов и других веществ, и запас АТФ в клетках восстанавливается.                        Демонстрация опыта:  Учитель показывает четыре заводные игрушки. Заводит все их ключом, а потом приводит в  движение.  Вопрос: Что мы видим? Ответ: Игрушечная курица деловито клюет воображаемое зерно, собака служит,  автомобили разъезжает взад вперед, лягушки прыгают. Своеобразный мирок, живущий  своей жизнью. Учитель: Но все эти действия, несмотря на их внешние различия, запущены одним и тем же  механизмом, благодаря одному и тому же повороту ключа. Что­то похожее мы видим в живой клетке с её сотнями и тысячами разнообразных,  одновременно идущих процессов. Роль такого «механизма» здесь играет вещество…  Вопрос: О каком веществе идет речь?   Ответ:  Оно называется аденозинтрифосфорной кислотой, а если коротко — АТФ.   Комментарии учителя:  Молекулу АТФ можно сравнить с заведённым, но не пущенным моторчиком игрушки. Когда возникает необходимость,  АТФ «срабатывает» и отщепляет от себя фосфорную кислоту. При этом выделяется сравнительно много энергии. Теперь  «мотор» надо заводить снова. Когда в клетке «сжигаются» органические вещества, за счёт выделенной энергии «заводятся» огромные количества  молекул­«моторчиков». Без АТФ организм не смог бы воспользоваться энергией, выделенной при «сжигании» в клетке  сахаров, жиров и т.д. Образно говоря, АТФ — это единственная энергетическая «валюта», которая принимается во всех  клеточных «банках». В сравнении с «крупными купюрами» (молекулами жиров, сахаров) это — мелкая разменная  монета. Потому­то она и удобна для разнообразных «платежей» (химических реакций). Рефлексия:  Подведение итогов отчета первой группы.  Вопрос: какое значение имеет АТФ в жизни клетки?  Ответ: АТФ играет центральную роль в энергетическом обмене клетки. Она  является  непосредственным источником энергообеспечения любой  клеточной функции.  Учитель: Действительно, любые виды клеточной активности совершаются за счет энергии, освобожденной в результате реакции гидролиза АТФ.  По итогам  коллективной работы формулируется вывод: АТФ  единый  и  универсальный источник энергообеспечения клетки. (вывод записывается в лист самоконтроля см. Приложение№1). Группа №2 Цель: объяснить энергетическую ценность I и II этапа энергетического обмена. 1. Прочитайте & 42 стр. 125­126 учебник Захаров раздел « Этапы энергетического  « Энергетический обмен» обмена» Обсудите: ­ какие изменения претерпевают органические вещества в подготовительную стадию? ­ составьте схему расщепления 2. Найдите в тексте описание бескислородной  стадии учебник Полянский стр. 165  раздел « Гликолиз» Установите: ­ особенности энергетического обмена во втором этапе ­ ферментативный характер реакций  3. Соберите модель молочной кислоты продукта бескислородного этапа.  ­ составьте схему гликолиза Для отчёта: составьте рассказ;                      ­ энергетическая ценность 1 и 2 этапа;                     ­ локализация этапов в клетке их значение.                     ­ заполните лист самоконтроля (см. Приложение №1). Предполагаемый ответ:                     Подготовительный этап (пищеварение), протекает вне клеток в пищеварительном тракте под действием  ферментов, секретируемых пищеварительными железами. Состоит в гидролизе крупных молекул на более  мелкие (полимеры ­ мономеры): В первую очередь для расщепления используются углеводы. Жиры составляют «первый резерв» и  используются тогда, когда исчерпан запас углеводов. Белки вовлекаются в обмен после израсходования всех  запасов углеводов и жиров (при длительном голодании). Вся выделяющаяся энергия рассеивается в виде  тепла. Гликолиз протекает в цитоплазме клетки под действием ферментов лизосом. За счёт энергии расщепления образуются 2 молекулы АТФ (это чистый выход). C6 H12 O6               молочная кислота (глюкоза)                  2 АТФ Рефлексия: Подведение итогов отчета второй группы.  Учитель возвращается к вопросу, заданному в начале урока: Почему мясо гуанако оказалось несъедобным? Ответ: Молочная кислота сделала невкусным мясо животного, подстреленного героями  Жюля Верна. Комментарий учителя:  Да. Кислород не успевает попасть в клетки мышц при длительном беге животного Тем не менее клетки задыхаются не  сразу. При распаде глюкозы образуется сложное вещество – молочная кислота. Чем больше кислоты накопилось в  мышцах, тем сильнее животное чувствует усталость. Начинается любопытный процесс – гликолиз. Гликолиз – процесс  сложный многоступенчатый. Он представляет собой каскад следующих друг за другом реакций. Каждую реакцию  катализирует особый фермент. Ферментативные реакции происходят не сразу, а последовательно благодаря чему клетки  никогда не повреждаются из­за перегрева. По итогам коллективной работы формулируется вывод: Синтез АТФ  в процессе гликолиза не нуждается в мембранах. Он идет и в пробирке, если имеются все необходимые  субстраты и ферменты.(вывод записывается в лист самоконтроля см. Приложение№1).    Группа №3 « Кислородное расщепление» Цель: установить эффективность кислородной стадии энергетического обмена. 1. Прочитайте & 43 учебник Полянский раздел « Кислородное расщепление» стр.165­ 167. Обсудите: ­ эффективность кислородной стадии по сравнению с гликолизом (используйте лист дополнительной информации см. Приложение №2) 2. Создайте аппликацию «синтез АТФ в митохондриях»,­ показав механизм работы  ферментов. 3. Рассмотрите рисунок строение митохондрии. ­ установите связь между строением и функциями этого органоида.  Для отчёта:  составьте рассказ;                       ­ энергетическая ценность 3 этапа                      ­ значение кислородного окисления.                       ­ заполните лист самоконтроля ( см. Приложение №1). Предполагаемый ответ: 1931 г. — окислительное фосфорилирование открыл В. А. Энгельгардт. Цепь переноса электронов (дыхательная цепь) состоит из коферментов и белковых пигментов,  расположенных на внутренней мембране митохондрий. Протоны (Н+) от НАД­Н2 и ФАДН2  транспортируются в наружной мембране через протонную помпу (особый белок в мембране). Протоны  (Н+) накапливаются в пространстве между наружной и внутренней мембраной (Н+ — резервуар).  Энергия протонов, при перемещении их обратно вовнутрь сквозь протонные каналы в мембране, исполь­ зуется ферментом АТФазой для синтеза АТФ из АДФ. Внутри митохондрий Н+ соединяются с О2 и  электронами, образуя Н2О. Рефлексия: Подведение итогов отчета третьей группы.  Учитель возвращается к вопросу, заданному в начале урока: почему мясо гуанако вкусно,  если животное убито во время отдыха? Ответ: Клетки мышц дышат кислородом, а значит глюкоза «сгорает» в ней полностью,  превращаясь в воду и углекислый газ с выделением энергии . Комментарий учителя: Во время третьего этапа происходит окончательное расщепление продуктов гликолиза, путём ряда последовательных  ферментативных реакций, причём на данном этапе освобождается наибольшее количество энергии, а значит в мышцах  животного нет молочной кислоты. Расщепление в клетке 1 молекулы глюкозы до оксида углерода(   ) и воды  обеспечивает синтез 38 молекул АТФ. Из них в бескислородную  стадию синтезируется  2 молекулы АТФ, а в  кислородную 36АТФ. Кислородный процесс, таким  образом, почти в 20 раз более эффективен, чем бескислородный. Образовавшаяся при этом АТФ по каналам ЭПС направляется в другие участки клетки, где возникает  в ней потребность. Из образовавшейся энергии при расщеплении глюкозы для клетки сохраняется 55% энергии, которая  переходит в  потенциальную энергию и в дальнейшем  используется клеткой. Поэтому реакция расщепления называется  энергетическим обменом.   По итогам коллективной работы формулируется вывод: Для осуществления кислородного  процесса необходимо наличие  неповрежденных мембран, так как решающую роль играют  происходящие на них электрические явления.( вывод записывается в лист самоконтроля  см.Приложение №1). Группа №4. «Три этапа» Цель: сравнить энергетический обмен у аэробов и анаэробов. 1. Прочитайте гл.3 « Обеспечение клеток энергией» стр. 66­67 учебник Рувинский  Объясните: ­ когда организмы приобрели способность к кислородному расщеплению? ­ какое это имело значение для развития жизни на Земле? 2. Обсудите:      ­ почему энергетический обмен более эффективен у аэробов, чем у анаэробов? 3. Сравните энергетический обмен в клетках аэробов и анаэробов         Для отчёта: составьте рассказ;                               ­ роль аэробов и анаэробов для развития жизни на земле;                              ­ энергетический обмен в клетках аэробов и анаэробов                              ­ заполните лист самоконтроля (см. Приложение №1).  Предполагаемый ответ: Анаэробное (бескислородное) дыхание происходит у организмов­анаэробов. Облигатные анаэробы  (бактерия ботулизма и др.) существуют только при полном отсутствии О2 (кислород для них  губителен). Факультативные анаэробы (дрожжи, черви­паразиты и др.) могут существовать как без О2, так и в его присутствии. Процесс анаэробного дыхания называют брожением. Аэробное (кислородное  дыхание) процесс полного окисления в митохондриях клетки активированной  пировиноградной кислоты (ПВК) до углекислого газа и воды, сопровождающийся выделением энергии и  синтезом АТФ. Комментарии учителя: Молочно кислые бактерии извлекают для себя энергию превращая глюкозу, содержащуюся в молоке, в молочную  кислоту, а само молоко или сливки в простоквашу, ряженку, кефир, йогурт, творог, сметану. Кислород бактериям при  этом не нужен: брожение заменяет им дыхание. А при спиртовом брожении расщеплении глюкозы идёт дальше и она как  вы уже знаете распадается  на этиловый спирт и углекислоту. На этом основана приготовление вина, пива, кваса,  дрожжевого теста. Общая рефлексия ­ выводы по уроку (значение энергетического обмена): 1. Использование энергии расщепления и окисления для синтеза АТФ.  2. Передача энергии в виде АТФ в различные части клетки.  3. Образование промежуточных продуктов реакций расщепления, используемых  клеткой в обмене веществ.  4. Побуждение реакций синтеза в клетке новых соединений при израсходовании их  запасов. VI. Подведение итогов урока. a. По целевым установкам на уроке обсуждается выполненная работа и  достигнутый результат b. Корректируются пробелы в усвоении знаний c. Проверка усвоения знаний d. Выставление оценок за урок VII. Домашнее задание. 1.Изучить п. 4.2. стр.124­127, дать объяснения новым биологическим терминам,  проработать вопросы 1 ­3 стр.131; составить схему ­ цикл Кребса (по желанию). 2. Решить биологическую задачу  В процессе диссимиляции произошло расщепление 900 г глюкозы, из которых до СО2  и Н2О расщепилось 360 . Сколько молекул АТФ при этом образовано? 3. Подготовить сообщение о деятельности В.А. Энгельгардта в области  энергообеспечения клеток. Дополнительная информация. Приложение 2. Энергетический обмен (диссимиляция, или катаболизм) — совокупность реакций  распада в клетке высокомолекулярных органических соединений на низкомолекулярные  органические и неорганические соединения, сопровождающиеся выделением энергии. Гликолиз — последовательность реакций, в результате которых одна молекула  глюкозы расщепляется на две молекулы пировиноградной кислоты (ПВК). Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса) — циклический ферментативный процесс полного окисления активированной уксусной  кислоты до углекислого газа и воды. Брожение — процесс расщепления в лизосомах клетки пировиноградной кислоты  (ПВК) до этилового спирта и углекислого газа либо до молочной кислоты. Окислительное фосфорилирование — последовательные ферментативные реакции, в  ходе которых электроны перемещаются по цепи переноса от НАД­Н2 и ФАДН2 к  молекулярному кислороду с образованием воды и выделением энергии для  фосфорилирования (фосфорилирование — синтез АТФ). Каждая живая клетка имеет сложный механизм для преобразования энергии. На первом  этапе клетки растений преобразуют энергию Солнца в химическую, которая запасается в  органических веществах. Второй этап преобразования энергии в клетке растений и живот­ ных, человека, бактерий происходит в процессе дыхания. Освобожденная химическая энер­ гия органических веществ расходуется на синтез молекул АТФ, богатых энергией. Для тре­ тьего этапа характерно использование заключенной в молекулах АТФ энергии на процессы  жизнедеятельности клеток: передачу нервных импульсов, мышечное сокращение, синтез  сложных молекул и др. • АТФ ­ универсальный источник энергии в клетке. Отщепление от АТФ одной фосфатной  группы сопровождается выделением 40 кДж энергии за счет разрыва одной  макроэргической связи, а при разрыве пептидных связей в молекуле белка освобождается  всего 15 кДж энергии. •  Химическая энергия фосфатной связи в молекуле АТФ легко передается другому соеди­ нению. . • Большая часть молекул АТФ синтезируется за счет энергии протонов Н+ и электронов,  источником которых служат атомы водорода. Источником атомов водорода являются  молекулы органических веществ, при расщеплении которых освобождаются атомы  водорода. В качестве органических веществ используются глюкоза и другие вещества. • В клетке протоны и электроны от одной реакции к другой переносятся особыми моле­ кулами ­ коферментами. Например, кофер­мент А— переносчик ацетильных групп, НАД+  и НАДФ+ ­ переносчики атомов водорода и электронов. Участвующие в реакциях  коферменты практически не изменяются, поэтому используются многократно. •  При расщеплении одной грамм­молекулы глюкозы в процессе энергетического обмена  освобождается 625 000 калорий. Если бы эта энергия освобождалась сразу, клетка погибла бы от перегрева. Этого не происходит, так как энергия в ходе окислительно­ восстановительных реакций освобождается постепенно. •  В кислородную стадию энергетического обмена от молекул пировиноградной кислоты  (ПВК) отщепляются атомы водорода, которые восстанавливают НАД+ до НАД­Н. Если бы  не происходило постоянного окисления НАД'Н, реакции прекратились бы. Кислород  взаимодействует с НАД­Н и окисляет их до НАД+. Приложение 1. Лист самоконтроля. ФИО ученика………………………………………….                                     Группа 1 « Энергообеспечение клеток».  Цель: определить роль АТФ в энергетическом обмене. 1.Укажите название составных частей молекулы АТФ     2. Достройте логико­смысловую модель: АТФ – аккумулятор энергии                                   АТФ                                АДФ 1. Вывод:……………………………………………………………… Группа 2 «Энергетический обмен» Цель: объяснить энергетическую ценность 1 и 2 этапа энергетического обмена. 1. Укажите продукты расщепления сложных органических веществ  подготовительного этапа. Б  Ж  У 2.Составьте схему второго этапа энергетического обмена, укажите продукты  реакции:      глюкоза Вывод:…………………………………………………………………………… Группа 3«Кислородное расщепление» Цель: установить эффективность кислородной стадии энергетического обмена. 1. Составьте схему:                                            Условия кислородного процесса                                                                  1                2                       4                                         6                                                          3                         5                                                            2. Укажите название исходных веществ и продуктов реакции третьего этапа. Исходные                                                                                          Продукты  вещества                                                                                           реакции     Вывод:…………………………………………………………………………………. Цель: сравнить энергетический обмен у аэробов и анаэробов. Группа 4 «Три этапа» 1. Допишите определение: Анаэробы это организмы .............................................. Аэробы это организмы ………………………………….. 2. Заполните таблицу: Признаки для сравнения Аэробы Анаэробы Стадии энергетического обмена Число молекул АТФ, синте­ зируемых в каждую стадию  Участие кислорода  Исходные продукты   Конечные продукты Вывод:……………………………………………………………………………