Урок 24. Энергетика живой клетки
Предмет: Естествознание, 10 класс

Конспект урока

Конспект на интерактивный видео-урок

по предмету «Естествознание» для «10» класса

Урок № 24.Энергетика живой клетки

Перечень вопросов, рассматриваемых в теме:

Как энергия запасается в клетке;
Что такое метаболизм;
В чем суть процессов гликолиза, брожения и клеточного дыхания;
Какие процессы проходят на световой и темновой фазах фотосинтеза;
Как связаны процессы энергетического и пластического обмена;
Что представляет собой хемосинтез.

Глоссарий по теме:

Метаболизм (обмен веществ) - сложная цепь превращений веществ в организме начиная с момента их поступления из внешней среды и кончая удалением продуктов распада. Представляет собой совокупность процессов энергетического обмена (катаболизма диссимиляции) и пластического обмена (анаболизма, ассимиляции).

Энергетический обмен – это совокупность химических реакций постепенного распада органических соединений, сопровождающихся высвобождением энергии, часть которой расходуется на синтез АТФ. Синтезированная АТФ становится универсальным источником энергии для жизнедеятельности организмов. Значение энергетического обмена – снабжение клетки энергией, которая необходима для жизнедеятельности.

Пластический обмен – это совокупность химических реакций образования (синтеза) из простых веществ с затратой энергии более сложные. Непосредственным поставщиком энергии в клетках выступает АТФ.

Фотосинтез – процесс образования органических веществ из неорганических (углекислого газа и воды) с использованием солнечной энергии. Проходит в два этапа: световая фаза (происходит улавливание и фиксация энергии света в АТФ) и темновая (связывание углекислого газа в молекулы глюкозы с затратой энергии АТФ).

Хемосинтез - процесс образования органических веществ из неорганических (углекислого газа и воды) с использованием энергии окисления неорганических веществ. Например, такой тип питания используют азотфиксирующие бактерии.

Клеточное или тканевое дыхание — совокупность биохимических реакций, протекающих в клетках живых организмов, в ходе которых происходит окисление углеводов, липидов и аминокислот до углекислого газа и воды.

Основная и дополнительная литература по теме урока :

Естествознание. 10 класс [Текст]: учебник для общеобразоват. организаций: базовый уровень / И.Ю. Алексашина, К.В. Галактионов, И.С. Дмитриев, А.В. Ляпцев и др. / под ред. И.Ю. Алексашиной. – 3-е изд., испр. – М.: Просвещение, 2017.: с 115 - 118.

Электронные ресурсы:

Обмен веществ. Портал открытая биология // Электронный доступ: https://biology.ru/textbook/content.html

АТФ и её роль в клетке .Проект «вся биология» // Электронный доступ: http://www.sbio.info/materials/obbiology/obbkletka/stroenorg/12

Энергетика живой клетки. Научно-познавательный журнал «Познавайка» // Электронный доступ: http://www.poznavayka.org/biologiya/energiya-zhivoy-kletki/

Энергетика живой клетки. Журнал «В МИРЕ НАУКИ» №3, 2006 . БИОЛОГИЯ // электронный доступ: https://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/430308/430310?SSL=1

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Обязательным условием существования биологических систем являются потоки энергии. В этом заключается ключевое различие между живой и неживой природой. Энергия не хранится в клетке, а поступает извне. Ключевую роль в трансформации энергии обеспечивает клетка, как элементарная структура живого. Специальные биохимические механизмы трансформируют одни виды энергии в другие, для обеспечения необходимых функций клетки.

Основным источником энергии для всех живых существ планеты Земля, является энергия Солнца. Однако эта энергия может быть использована живым только после того, как она будет усвоена фотоавтотрофами (от греч. «фото» - свет, «авто» - сам, «трофос» - питание).

В процессе эволюции появились и другие организмы, которые научились потреблять готовые органические соединения для получения запасённой в них энергии – гетеротрофы (от греч. «гетерос» - другой, «трофос» - питание).

Некоторые виды микроорганизмов (хемоавтотрофы) приобрели способность к использованию энергии, выделяемой при окислении неорганических веществ.

Таким образом, из всего многообразия существующих форм энергии живые существа на нашей планете используют только две – световую и энергию химических связей.

Главный переносчик энергии в клетке

Световая энергия Солнца и энергия, заключённая в потребляемой пище, запасаются в особых бимолекулярных аккумуляторах – молекулах АТФ (аденозинтрифосфат). В молекулах АТФ энергия запасается в виде высокоэнергетических химических связях между остатками фосфорной кислоты, которая освобождается при отщеплении фосфата: АТФ → АДФ + Ф + E.

Выделяемая энергия используется клетками для процессов выработки тепла, мышечных сокращений (мышечная клетка), для проведения нервного импульса (нервные клетки) и т.п.

Обратный процесс образования АТФ с затратой энергии, получил название энергетический обмен.

Синтез макромолекул важнейших органических соединений, необходимых для построения структур клетки, обеспечения всех процессов жизнедеятельности клеток – пластический обмен - обеспечивается также энергией АТФ.

Независимо от типа питания, универсальным аккумулятором энергии живых организмов выступают молекулы АТФ, где добытая энергия извне запасается в виде химических связей. Такая схожесть иллюстрирует единство происхождения всего живого.

Метаболизм

Поступившие вместе с пищей (или в результате фотосинтеза) органические вещества расщепляются на более простые (катаболизм или диссимиляция), которые служат для постройки макромолекул органических соединений (анаболизм или ассимиляция). Эти процессы происходят в организме одновременно. Совокупность этих процессов получила название – метаболизм. В результате его организм осуществляет обмен веществом и энергией с окружающей средой. Наибольшее значение для энергетического обмена являются многостадийные реакции расщепления глюкозы.

На стадии гликолиза в цитоплазме клетки происходит ферментативное расщепление молекулы глюкозы с образованием более простой пировиноградной кислоты и молекул АТФ: С6Н12О6 + 2 АДФ + 2 Ф → 2С3Н4О3 + 4Н+ + 2АТФ

Молекулы пировиноградной кислоты обладают значительной энергией, высвобождение которой происходит в митохондриях. В ходе так называемого клеточного дыхания (аэробного расщепления), вещество распадается на углекислый газ, который впоследствии выделяется из клетки и воду. По последним исследованиям, при этом образуется 30 молекул АТФ.

Суммарную реакцию окисления глюкозы можно представить следующим образом:

С6Н12О6 + 6О2 + 6Н2О + 32 АДФ + 32 Ф → 6 СО2 + 12 Н2О + 32АТФ

Некоторые микроорганизмы при недостатке кислорода расщепляют глюкозу в процессе анаэробного дыхания или брожения. В зависимости от конечных продуктов такого расцепления различают спиртовое брожение (с образование этанола), молочнокислое (молочная кислота). Последнее происходит и в мышцах, при недостатке кислорода, например во время длительной тренировки. Энергетический выход такого типа расщепления менее энергоэффективен.

Основным источником энергии для организмов является окисление глюкозы в митохондриях. При этом также может происходить окисление других органических соединений (белков, жиров), потребляемых, например, вместе с пищей.

Фотосинтез

Фотоавтотрофы имеют уникальные ферментативные системы, способные трансформировать энергию солнечного света в энергию химической связи. Процесс образования органических веществ из неорганических (углекислого газа и воды) с использованием солнечной энергии получил название фотосинтез. В растениях фотосинтезирующие комплексы сосредоточены в специальных органеллах – хлоропластах. Основной пигмент – хлорофилл – выполняет функцию световых «антенн», улавливая световые волны практически всех диапазонов, кроме зелёного. Стоит отметить, что это обуславливает окраску листьев растений.

В так называемой, световой фазе, кванты света выбивают электроны из молекулы хлорофилла, и он начинает передаваться по специальным белковым переносчикам, расположенных на мембране хлоропластов. Под действием света одновременно происходит разложение воды (фотолиз). В реакции высвобождается, в том числе катион водорода (Н+), необходимый для последующего биосинтеза, который захватывает молекула НАДФ (никотинамидадениндинуклеотидфосфат): НАДФ+ + Н+→НАДФ∙Н

Энергия возбуждённого электрона заряжает известный нам биологический катализатор АТФ и молекулу НАДФ – в этом заключается биологический смысл световой фазы фотосинтеза.

Заметим, что побочными продуктами фотолиза воды становятся свободный кислород и свободные электроны, восстанавливающие хлорофилл: 2Н2О→ Н+ + 4е- + О2

Дальнейший процесс может уже проходить без света. Сущность реакций темновой фазы можно выразить следующим уравнением: СО2 + НАДФ∙Н + АТФ = С6Н12О6 +АДФ + НАДФ+

Не сложно заметить, что выделяются вещества необходимые на начальном этапе фотосинтеза, что замыкает цикл. Энергия молекулярных аккумуляторов была использована для фиксации углекислого газа в энергию химических связей углевода.

Фотосинтез, таким образом, является процессом превращения одной (световой) формы энергии в другую(химическую). Вся энергия биосферы запускается благодаря этому процессу. Другими словами, фотосинтез является отражением космических потоков энергии. Помимо этого, фотосинтезирующие организмы не только обеспечивают первичный синтез органических соединений, но и создают условия необходимые для существования других живых организмов.

Взаимосвязь энергетического и пластического обмена

Не сложно заметить, что процессы аккумулирования энергии в молекулах АТФ (энергетический обмен) и использование запасённой энергии для синтеза необходимых веществ (белков, жиров, углеводов, нуклеиновых кислот) неразрывно связаны. Так синтез АТФ не возможен без разложения органических веществ, а синтез веществ клетки не возможен без энергии АТФ. Причём, заметим, что и фотосинтез представляет собой единство этих процессов: темновая фаза – пластический обмен, световая фаза – энергетический.

Оба процесса протекают одновременно и неотделимы друг от друга, обеспечивая жизнедеятельность организма. Таким образом, в клетках происходит трансформация вещества и энергии, которые лежат в основе существования жизни и непрерывного самообновления. Сходство процессов энергетического обмена в клетках всех живых организмов является доказательством единства их происхождения.

Вывод

В клетках происходят одновременно процессы энергетического и пластического обмена, это лежит в основе сохранения жизни. Взаимообмен энергией и веществом между живой и неживой природой является иллюстрацией принципа единства и взаимосвязи материального мира.

Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля:

Задание 1. Выберите один ответ:

Универсальным аккумулятором энергии в клетке является:
Жиры;
Белки;
АТФ;
НАДФ∙Н.

Ответ: АТФ

Пояснение: универсальной «разменной валютой» в энергетике живой клетки выступает АТФ. При его распаде выделяется энергия, которая расходуется на все жизненно важные процессы.

Задание 2. Исправьте ошибки, анализируя текст с позиции энергетического обмена:

В рационе питания человека помимо белков растительных и животных не обязательно должны присутствовать углеводы и жиры. Отсутствие жиров в пище не приводит к истощению. Человек толстеет, если употребляет в пищу избыточное количество углеводов. На сое и рисе можно прожить.

Ответ: В рационе питания человека помимо белков растительных и животных не обязательно должны присутствовать углеводы и жиры. Отсутствие жиров в пище не приводит к истощению. Человек толстеет, если употребляет в пищу много жиров. Исключительно на сое и рисе можно благополучно прожить.

Пояснение: с точки зрения энергетического обмена, наиболее энергоэффективными являются жиры. При этом, жиры, поступающие с пищей, используются в том числе, для построения многих важных соединений, например гормонов. «Быстрая» энергия углеводов в избыточном количестве может приводить к полноте. Употребление только растительного белка в пищу, по сравнению с животным, является менее энергоэффективным и при отсутствии других источников энергии может приводить к истощению организма.