ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ ГОРОДА МОСКВЫ

Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение

города Москвы

«КОЛЛЕДЖ АВТОМОБИЛЬНОГО ТРАНСПОРТА № 9»

ГБПОУ КАТ № 9

Методическая разработка к уроку по биологии на

тему:

«

Обмен веществ и превращение энергии в клетке»

Разработала: Фаддеева Т.В.

Рассмотрены и одобрены на заседании предметной (цикловой) комиссии

«Общеобразовательные дисциплины» от 20.09.2019 протокол № 2

Председатель ПЦК _______ / Т.В.Фаддеева/

Тема: Обмен веществ и превращение энергии в клетке

ЦЕЛИ ЗАНЯТИЯ:

Обучающая:



расширить знания студентов о различных формах обмена веществ в клетке и

организме;



сформировать представление о реакциях пластического и энергетического обменов в

растительной и животной клетке и их взаимосвязи;



определить роль различных веществ и структур клетки в метаболизме.

Студент должен знать:



единство процессов метаболизма растительных и животных организмов;



автотрофные и гетеротрофные организмы;



аэробные и анаэробные организмы;



световая фаза фотосинтеза;



темновая фаза фотосинтеза;



хемосинтез;



этапы энергетического и пластического обмена;



роль хлоропластов и митохондрий в процессах ассимиляции и диссимиляции.

Студент должен уметь:



записывать химические реакции фотосинтеза, хемосинтеза, гликолиза;



изобразить в виде схем процессы фотосинтеза и окисления.

Воспитательная:



воспитывать чувство ответственности в сохранении природных ресурсов;



воспитывать убежденность в глобальном значении процессов обмена веществ.

Развивающая:



развивать у студентов способности выявлять причинно-следственные связи, лежащие

в основе анаболизма и катаболизма;



развивать у студентов умение применять знания, полученные при изучении данной

темы, на занятиях анатомии и физиологии, микробиологии, фармакологии,

фармакогнозии.

Междисциплинарные

связи: Химия,

физика,

ботаника,

физиология,

патология,

фармакология, фармакогнозия, философия.

Время: 90 мин.

Оснащение: методическая

разработка

лекционного

занятия

для

преподавателя,

компьютер, проектор.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ КАРТА

Действия преподавателя

Обоснование методических

приемов

1. Организационный момент.

Преподаватели приветствует студентов, обращают

внимание на внешний вид, санитарное состояние

аудитории, отмечают отсутствующих.

Организует и дисциплинирует

студентов,

создает

рабочую

обстановку,

воспитывает

аккуратность и ответственность

студентов.

2. Сообщение темы, целей и плана занятия

Преподаватели

сообщают

тему

и

цели

интегрированного

лекционного

занятия,

диктуют

план

изложения

нового

материала,

который

одновременно выводится на экран мультимедийной

установки:

1. Понятие о метаболизме.

2. Автотрофные и гетеротрофные организмы.

3. Фотосинтез:



световая фаза;



темновая фаза.

4. Значение фотосинтеза для биосферы.

5. Хемосинтез.

6. Энергетический обмен:



анаэробный гликолиз;



аэробное окисление;



окислительное фосфорилирование.

7. Синтез белка

С

целью

сконцентрировать

внимание

студентов

на

усвоение определенного объема

знаний.

3. Мотивация и актуализация темы.

Преподаватели отмечают значение и роль данного

занятия для дальнейшего изучения дисциплин и в

будущей практической деятельности студента и

предлагают вспомнить ранее изученные темы: клетка

как открытая система, значение органоидов клетки,

органические

и

неорганические

вещества,

вегетативные органы растений,

обратить особое

внимание на функции и значение молекулы АТФ и

ферментов.

Формируют

познавательный

интерес

к

учебной

деятельности,

определяет

степеня

подготовленности

группы

к

усвоению

нового

материала.

4. Изложение лекционного материала.

Преподаватели излагают новый материал (согласно

плана,

продиктованного

ранее),

который

сопровождается

презентацией

с

помощью

мультимедийной установки.

См. приложение №1.

С целью расширения и

углубления знаний по теме,

концентрации внимания,

включения зрительной памяти.

5. Закрепление изученного материала.

Преподаватели предлагают студентам ответить на

следующие вопросы:

1.

Что такое метаболизм?

2.

Как связаны между собой пластический и

энергетический обмены веществ?

3.

Что такое биологические катализаторы?

4.

Откуда берется энергия для синтеза АТФ из

АДФ?

5.

Все ли растения являются автотрофами, а

животные гетеротрофами?

6.

Какие организмы на Земле практически не

зависят от энергии солнечного света?

7.

Какие этапы выделяют в энергетическом обмене?

8.

Какую роль играет кислород в процессе дыхания?

Выявляет степень усвоения

нового материала.

6. Обобщение и систематизация изученного

материала.

Преподаватели еще раз подчеркивают важность

процессов обмена веществ для существования

биосферы.

С целью формирования умения

анализировать, сравнивать,

делать выводы.

7. Домашнее задание.

1.

Преподаватели предлагают студентам ответить на

следующие проблемные вопросы:

2.

Пути повышения продуктивности фотосинтеза.

3.

В чем сходство процессов фотосинтеза и

энергетического обмена?

4.

Какая субстанция в пище является переносчиком

энергии?

Активизирует самоподготовку,

воспитывает

самостоятельность,

стимулирует желание решать

проблемные вопросы.

8. Заключение.

Преподаватели объявляют об окончании занятия,

напоминает студентам об уборке рабочих мест,

дежурным об уборке аудитории.

Прививает любовь к чистоте и

порядку

“Живые тела, существующие на Земле, представляют собой открытые системы,

построенные из биополимеров – белков и нуклеиновых кислот”.

В.М. Волькенштейн

“Жизнь есть способ существования белковых тел, существенным моментом которого

является постоянный обмен веществ с окружающей их природой, причем с прекращением

этого обмена веществ прекращается и жизнь, что приводит к разложению белка”.

Ф.Энгельс

Тезисы лекции

План изложения нового материала:

1. Понятие о метаболизме.

2. Автотрофные и гетеротрофные организмы.

3. Фотосинтез:

•

световая фаза;

•

темновая фаза.

4. Значение фотосинтеза для биосферы.

5. Хемосинтез.

6. Энергетический обмен:

•

анаэробный гликолиз;

•

аэробное окисление;

•

окислительное фосфорилирование.

7. Синтез белка.

Актуализация темы

Все, окружающее нас, существует в двух основных формах – живого и неживого.

•

Жизнь можно определить как активное самообновление, самовоспроизведение и

саморегуляцию специфических структур и процессов идущих с затратой энергии,

полученной извне.

•

Существует

постоянная

связь

организма

с

окружающей

средой,

которая

осуществляется путем обмена веществом и энергией.

Метаболизм – совокупность химических реакций в клетке, протекающих с

участием ферментов.

Значение метаболизма – обеспечение клетки строительным материалом и энергией.

Метаболизм

Анаболизм

Катаболизм

Метаболизм

Анаболизм

Катаболизм

Метаболизм – совокупность химических реакций в клетке, протекающих с

участием ферментов.

Значение метаболизма – обеспечение клетки строительным материалом и энергией.

Анаболизм (ассимиляция, пластический обмен) – совокупность эндотермических

реакций биосинтеза, которые приводят к образованию сложных веществ из более простых

с затратой энергии АТФ и других источников энергии (синтез белка, гликогена,

фотосинтез).

Катаболизм (диссимиляция,

энергетический обмен) – совокупность

экзотермических реакций распада и окисления высокомолекулярных веществ до более

простых. При этом выделяющаяся энергия запасается в макроэргических связях АТФ.

По типу питания все живые организмы подразделяются на:

1. Автотрофные – способные синтезировать органические вещества из неорганических,

т.е. С (углерод) они получают из неорганических молекул (СО

2

):

•

фотосинтетики

– зеленые растения и некоторые бактерии, ко которые

используют энергию солнечного света;

•

хемосинтетики

–

некоторые

бактерии,

которые

используют

энергию,

выделяющуюся при окислении неорганических соединений.

2. Гетеротрофные

– животные, грибы, незеленые растения, большинство бактерий,

неспособные самостоятельно синтезировать органические вещества из неорганических

веществ и использующие энергию химических связей и С (углерод) готовых органических

соединений:

•

сапрофиты – питаются органическими веществами мертвых тел;

•

паразиты – питаются органическими веществами органических организмов.

3. Миксотрофные – могут питаться как автотрофно, так и гетеротрофно.

Фотосинтез – процесс образования органических веществ при участии энергии

света – свойственен лишь клеткам, содержащим специальные фотосинтезирующие

пигменты, главнейшими из которых являются хлорофиллы. Это единственный процесс в

биосфере, ведущий к запасанию энергии за счет ее внешнего источника.

Ежегодно в результате фотосинтеза на Земле образуется, как полагают, 150 млрд т

органического вещества (первичная продукция) и выделяется около 200 млн т свободного

кислорода. Круговорот кислорода, углерода и других элементов, вовлекаемых в

фотосинтез,

поддерживает

современный

состав

атмосферы,

необходимый

для

существования на Земле современных форм жизни. Помимо «подпитки» атмосферы

кислородом, фотосинтез препятствует увеличению концентрации СО

2

, предотвращая

перегрев Земли вследствие так называемого парникового эффекта.

Фотосинтез –

главнейшее звено биохимических циклов на Земле и основа всех цепей питания.

Запасенная в продуктах фотосинтеза энергия – основной источник энергии для

человечества.

Обобщенное уравнение фотосинтеза аэробного типа следующее:

6СО

2 +

12Н

2

О + энергия света→С

6

Н

12

О

6

+ 6Н

2

О + 6О

2.

Фотосинтез в растениях осуществляется в хлоропластах.

Фотосинтез включает два главнейших этапа, последовательно связанных между

собой. Этап поглощения и преобразования энергии (явление, получившее название

светового процесса) и этап превращения веществ (темновой процесс).

Два процесса фотосинтеза выражаются отдельными обобщенными уравнениями:

12Н

2

О + энергия света→ 12Н

2

+ 6О

2

↑+ энергия АТФ (световой процесс);

6СО

2

+ 12Н

2

+ энергия АТФ→С

6

Н

12

О

6

+ 6Н

2

О (темновой процесс).

Световой процесс осуществляется в тилакоидах хлоропластов, темновой - главным

образом в их строме.

Пигменты растений, участвующие в фотосинтезе, «упакованы» в тилакоиды хлоропластов

в виде функциональных фотосинтетических единиц, называемых фотосистемами.

Имеются два типа фотосистем – I и II. Каждая фотосистема содержит 250 – 400 молекул

пигментов. Все пигменты фотосистемы могут поглощать частицы световой энергии,

называемые фотонами, но только одна молекула хлорофилла данной фотосистемы может

использовать

поглощенную

энергию в

фотохимических

реакциях.

Эта молекула

называется реакционным центром

фотосистемы. Другие молекулы

пигментов

называются антенными, поскольку они улавливают энергию света, подобно антеннам,

для последующей передачи реакционному центру.

Все молекулы пигментов в фотосистемах способны улавливать энергию солнечного света.

В фотосистеме II энергия света утилизируется реакционным центром, возбужденные

энергизированные

электроны центра парами переносятся на молекулу соединения

называемого акцептором. От акцептора начинается электронный поток, в котором

электроны

спускаются

по

электронотранспортной

цепи

к

фотосистеме

I.

Электронотранспортная цепь между фотосистемами I и II устроена так, что АТФ может

образовываться из АДФ и фосфата. В хлоропластах этот процесс получил название

фотофосфорилирования, т.к он связан с энергией света.

Сущность фотосинтеза:

Под действием световой энергии молекула хлорофилла (реакционный центр)

теряет электрон, которые скапливаются на внешней стороне внутренней мембраны

хлоропласта. Молекула хлорофила, потерявшая свои электроны, заменяет их электронами

донора, которым является вода. Молекула воды диссоциирует на протоны и кислород. Это

окислительное расщепление молекул воды осуществляется под влиянием энергии

солнечного света (светозависимая диссоциация) и известно под названием фотолиза.

Таким образом, фотолиз воды участвует в создании потока протонов через мембрану, где

высокая концентрация протонов оказывается во внутреннем пространстве тилакоидов.

Протонный

поток

способствует

синтезу

АТФ

из

АДФ

и

фосфата

в

ходе

фотофосфорилирования.

Фотосистема I может работать независимо от фотосистемы II. Этот процесс называют

циклическим потоком электронов.

На второй (темновой) стадии фотосинтеза химическая энергия (в виде АТФ), запасенная в

ходе световой реакции, используется для восстановления углерода. Углерод доступен для

фотосинтезирующих клеток в виде диоксида углерода. У растений диоксид углерода

поступает к фотосинтезирующим клеткам через устьица.

Восстановление углерода происходит у эукариот в строме хлоропластов в цикле

реакций, известных как цикл Кальвина (по имени американского биохимика М.Кальвина,

нобелевская премия 1961г. за его открытие).

Шестиуглеродный сахар глюкоза в конечном итоге образуется в результате шести

оборотов цикла, которые ведут к «поглощению» 6 молекул СО

2.

Конечным итогом

фотосинтеза

является

накопление

энергетически

богатых

запасных

веществ,

составляющих основу для поддержания жизнедеятельности клетки, а в итоге – всего

многоклеточного

организма.

Эти

вещества

являются

продуктами

первичного

метаболизма. Помимо главнейшей своей функции, первичные метаболиты – основа для

биосинтеза

соединений,

которые

принято

называть

продуктами

вторичного

метаболизма, многие из которых являются биологически активными и будут изучаться

нами в курсе фармакогнозии.

Таким образом, фотосинтез – это основной поставщик не только органических

соединений, но и свободного кислорода на Земле.

Общая продуктивность фотосинтеза громадна: ежегодно растительность Земли

связывает 1,7×10

8

т углерода. Помимо того, растения вовлекают в синтез миллиарды тонн

азота, фосфора, серы, кальция, магния, калия и других элементов. В результате ежегодно

синтезируется около 4×10

7

т органических веществ.

При всей грандиозности масштабов природный фотосинтез – медленный и

малоэффективный процесс: зеленый лист использует для фотосинтеза всего около 1%

падающего на него солнечного излучения. Продуктивность фотосинтеза составляет

примерно 1 г органических веществ на 1 м

2

площади листьев в час.

Хемосинтез

•

Способность синтезировать органические вещества из неорганических, получая

энергию из химических реакций неорганических веществ.

•

Был открыт русским ученым – микробиологом С.Н.Виноградским.

•

Бактерии способны окислять неорганические вещества и выделяющуюся энергию

использовать для собственного синтеза органических веществ (азотофиксирующие,

нитрофицирующие бактерии окисляют аммиак до азотистой и азотной кислоты).

Гететрофные организмы получают готовые органические вещества, синтезируемые

автотрофами.

Эти органические вещества, окисляясь, являются источником энергии, как у

автотрофов, так и у гетеротрофов.

У гетеротрофов это единственный источник энергии, а автотрофы используют его с

наступлением темноты, т.е. с прекращением фотосинтеза.

Биологическое окисление органических веществ в клетках ведет к образованию Н

2

О и

СО

2

.Процесс протекает ступенчато при участии ряда ферментов и переносчиков

электрона. 50% энергии превращается в энергию АТФ и другие молекулы – носители

энергии (НАД, ФАД, НАДФ). Оставшиеся 50% энергии превращаются в теплоту,

необходимую теплокровным для поддержания постоянной температуры своего тела.

Одним из основных источников энергии для всех клеток является глюкоза.

Энергия, выделяющаяся при разрушении химических связей, запасается в молекулах

АТФ.

Превращение веществ и энергии в процессе диссимиляции включает в себя

следующие этапы:

1 этап – подготовительный: сложные органические вещества под действием ферментов

расщепляются на более простые; энергия выделяется в виде тепла.

2 этап – гликолиз (бескислородный, анаэробный): процесс расщепления глюкозы до 2

молекул ПВК.

С

6

Н

12

О

6

= 2С

3

Н

4

О

3

+ 4Н

+

+ 2АТФ

В результате гликолиза образуется не только ПВК, но и 4 протона водорода. Его

акцептором является НАД.

Процесс осуществляется в цитоплазме клеток и с мембранами не связан. В

присутствии кислорода ПВК окисляется до СО

2

и Н

2

О с образованием 36 АТФ.

На 2-м этапе 40% энергии запасается в виде АТФ, а 60% энергии рассеивается в виде

тепла.

3 этап – кислородный, аэробный: происходит только у аэробных организмов и включает:

цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса) и окислительное фосфорилирование.

ПВК поступают в митохондрии и взаимодействуют с ферментами матрикса. Здесь

происходит отщепление воводорода и углекислого газа и присоединение кофермента А с

образованием ацетилкофермента А.

В цикле Кребса отщепляется Н

+

, который тут же захватывается НАД или ФАД и

это соединение переходит на внутреннюю мембрану митохондрий в дыхательную цепь.

Электрон переносится от НАД. Н по другую сторону внутренней мембраны. На внешней

стороне

внутренней

мембраны

накапливаются

протоны

водорода,

заряженные

положительно. Электроны создают отрицательный заряд на внутренней поверхности этой

мембраны

В мембрану встроен фермент АТФ-синтетаза. Через его каналы проталкиваются

протоны водорода на другую сторону мембраны при разности потенциалов 200 мВ.

Электроны соединяются с О

2

с образованием аниона кислорода и к ним

присоединяется протон водорода.

Окислительное фосфорилирование.

Высокоэнергетические электроны, которые уходя с НАД·Н, перемещаются по

многоступенчатой цепи переносчиков. При этом электрон теряет энергию, которая

запасается в молекулах АТФ. В конце цепи переносчиков стоит кислород, который и

принимает электрон.

О

2

+4ē +4Н

+

→ 2Н

2

О

Таким образом, происходит полное окисление глюкозы до углекислого газа и воды, и

при этом образуется 36 АТФ в 3-м этапе и 2 АТФ во 2-м этапе.

7. Синтез белка

Преподаватель: Биосинтез белков идет в каждой живой клетке. Наиболее активен

он в молодых растущих клетках, где синтезируются белки на построение их органоидов, а

также в секреторных клетках, где синтезируются белки-ферменты и белки-гормоны.

Синтез белков – это ассимиляция или диссимиляция?

Ответ: Ассимиляция.

Преподаватель:

Докажите. Чем отличаются эти процессы? Чем организмы отличаются

друг от друга?

Ответ: Белками

Преподаватель:

Как же наши клетки определяют, какой белок надо построить?

(Студенты рассуждают)

В ДНК содержится информация о белках, какой структуры белках? (Слайд 3.)

Информация о белках заключенная в ДНК называется генетической. Почему?

Как называется участок ДНК, в котором содержится информация о первичной структуре

белка?

Ответ: Ген

Преподаватель:

Белок состоит из аминокислот, а ДНК из нуклеотидов, разные языки,

как быть? Вспомним игру детства, переписку с подругами, зашифрованную закодированную от

других. Значит, необходимо было создать генетический код, который ДНК и имеет код – триплет

(кодон), например ГЦУ – аланин. Сегодня известны кодоны всех аминокислот и составлена карта

генетического кода (Слайд 4.)

1 свойство: Триплетен. Почему триплет? (объяснение преподавателя)

1 нуклеотид – 1 аминокислота

2 нуклеотида – 4

2

= 16 аминокислот

3 нуклеотида – 4

3

=64 аминокислоты. Что это значит?

Ответ: Лишние коды.

Преподаватель:

Это второе свойство - Избыточность - одна аминокислота имеет

несколько кодонов.

Найдите два одинаковых кодона в таблице генетического кода. Такого нет. Какой вывод

делаем?

Ответ.1 кодон = 1 аминокислоте.

Преподаватель:

И это следующее свойство кода – однозначность

Работа по таблице генетического кода. Обратите внимание на знаки препинания, это

следующее свойство кода. Поясните, для чего они необходимы? (Обучающиеся рассуждают)

Как вы думаете, внутри гена знаки препинания есть?

Ответ. Внутри гена знаков препинания нет. И это следующее свойство.

Преподаватель:

И еще одно свойство кода - генетический код универсален. Как вы это

понимаете?

Итак, информация о белке содержится в ядре, а синтез осуществляется на рибосомах, как

поступает информация на рибосомы?

Ответ. Информацию переносит и-РНК.

Преподаватель: Значит

информацию

с

ДНК

необходимо

считать.

Этот

процесс

называется транскрипцией. Я предлагаю вам решить задачу. (Слайд 5)

Участок молекулы ДНК, кодирующий часть полипептида, имеет следующее строение:

-А-Ц-Ц-А-Т-А-Г-Т-Ц-Ц-А-А-Г-Г-А-

Постройте участок и-РНК.

Алгоритм решения задачи.

Зная кодирующую цепь ДНК, по принципу (комплементарности) построим участок и-РНК

ДНК: -А - Ц - Ц - А - Т - А - Г - Т - Ц - Ц - А - А - Г - Г - А-

И-РНК:

Мы знаем, что ДНК – это спираль, что необходимо, чтобы шло считывание с ДНК

информации на И-РНК?

Ответ. Цепь ДНК должна раскрутиться – деспирализоваться, открыть информацию. И –

РНК собирается по цепи ДНК по типу решения задачи. Этот процесс называется транскрипцией.

(Слайд 6, 7). По каналам ЭПС и-РНК перемещается к рибосомам. Чтобы шел процесс сборки

белка, что необходимо?

Ответ. Белок состоит из аминокислот.

Преподаватель:

Где их взять?

Ответ. В цитоплазме.

Преподаватель:

Синтез белка протекает, как мы с вами сказали, на рибосомах, а кто

принесет аминокислоты к месту синтеза белка?

Ответ. Для этого необходимы т-РНК.

Преподаватель:

Вспомним строение т –РНК. (слайд 8.) Антикодон соответствует коду

аминокислоты. Найти антикодоны для аминокислот (работа по таблице). Сколько т-РНК всего, как

вы думаете?

Ответ. 61

Преподаватель:

Третий этап синтеза – это трансляция. Посмотрите фрагмент (слайд 9)

без комментариев. Затем поработайте в парах по учебнику и разберите, что происходит на этом

этапе. Составьте вопросы для соседней пары.

Примерные вопросы (каждая пара задает по одному вопросу другой паре, при условии - не

повторяться):

- с чего начинается трансляция?

- как перемещается рибосома по и-РНК?

- на сколько этапов можно разделить события, протекающие в рибосоме?

- что происходит на первом этапе?

- что на втором?

- до каких пор продолжается трансляция?

На рибосоме – 2 кабинета: в одном распознавание антикода кодом, во втором –

отсоединение аминокислоты и присоединение ее к полипептидной цепи.

Вернемся к задаче. Используя таблицу генетического кода, определим последовательность

аминокислот в полипептиде.



УГГ – триптофан



УАУ – тирозин



ЦАГ – глутамин



ГУУ – валин



ЦЦУ – пролин

Клеткам требуется много белка, чтобы его создать одна рибосома не справится

необходимо создать – полисому – цепь из рибосом. Какой белок строит рибосома, есть разница

или нет?

Во всех клетках все ДНК, но клетки синтезируют определенные белки, в разных клетках –

разные. Как объяснить? (Обучающиеся рассуждают)

Преподаватель:

Посмотрите на общую схему биосинтеза белка – обобщение всех этапов

синтеза. (Слайд 10)

3. Закрепление.

Работа в парах: выписать все структуры и вещества, участвующие в процессе и определить

их функции. Кто уверен в своих знаниях работают с программированными тестами на ноутбуке.

Учащиеся, справившиеся с тестами и получившие отметки решают задачу на слайде 11. Считая,

что средняя относительная молекулярная масса аминокислоты около 110, а нуклеотида – около

300, прикиньте, что тяжелее: белок или его ген? И Задание на слайде 12.

4. Рефлексия

Что было сложного, что показалось наиболее интересным, удивительным, как вы

оцениваете свою работу и работу своих товарищей? Благодарю за работу на уроке.