Тема урока: "ОСНОВЫ ЦИТОЛОГИИ
Метаболизм клетки"

Программа авторского коллектива под рук. В.В. Пасечника

МОУ гимназии № 10 г. Мурманска
Учитель: Подмятникова Л.С., учитель биологии, победитель конкурса лучших учителей РФ (НППО)

11 (10) класс

Цели:

1. Учащиеся должны познакомиться с понятиями: «энергетический, пластический обмен (катаболизм, анаболизм), АТФ, реакции матричного синтеза, реакции фосфорилирования, принцип Митчелла».
2. Учащиеся должны уметь выделять главное, вести тезисные записи, сравнивать процессы катаболизма и анаболизма.
3. Способствовать формированию научного мировоззрения.

Оборудование: презентация «Метаболизм клетки», мультимедийный проектор.

Форма учебного занятия: школьная лекция.

Ход занятия.

I. ВВЕДЕНИЕ В ТЕМУ.

Строение клетки обеспечивает протекание в ней разнообразных процессов: транспорт веществ, рост, развитие, саморегуляцию, образование и превращение энергии, самовоспроизводство, адаптацию к условиям среды, а также некоторые специализированные функции в многоклеточном организме. Любое проявление жизнедеятельности – работа, связанная с химическими превращениями в живой клетке.
Совокупность химических реакций, протекающих в живой клетке, называется обменом веществ или метаболизмом ( metabole – перемена, превращение). Оба эти термина образно подчёркивают характерные черты химической стороны жизненного процесса – динамичность, непрерывность, связь с внешней средой.
Отличаются ли процессы, протекающие в живой клетке, от процессов неживой природы?
В конце занятия мы попробуем ответить на этот вопрос.

II. ИЗЛОЖЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА.

1. Энергообеспечение клетки.
Чтобы жить – надо работать. Для работы клеточной системы необходима энергия. Она поступает из внешней среды, т.е. клетка – открытая система.
- Как же обеспечивается клетка энергией?
Организмы получают энергию из пищи, улавливают энергию Солнца. Однако ни световая энергия, ни энергия органических веществ не могут непосредственно служить «топливом» для клеточных процессов (ср. с механич. системой – двигателем внутр. сгорания). Длительное время учёные искали так называемый теплород – химический элемент, который бы обеспечивал систему теплом, энергией. В начале 40-х гг. XX в. биохимик Ф. Липман высказал гипотезу, что различные реакции освобождения энергии в клетке всегда сопряжены с синтезом АТФ из АДФ и Ф. С другой стороны, реакции расщепления АТФ сопряжены с совершением различных типов работы (мышечная, химическая, электрическая). В.А. Энгельгардт и В. Белицер (СССР) установили, что внутриклеточное дыхание сопряжено с синтезом АТФ. В 50-е гг. американский биохимик Д.Арнон продемонстрировал синтез АТФ у растений. К настоящему времени выяснена несомненная причастность АТФ к многим процессам, потребляющим энергию, т.е. АТФ – универсальное «топливо». Живые клетки преобразуют различные формы энергии в АТФ, и только затем её используют.
Превращение энергии описывается законами термодинамики.

- 1 закон: энергия не исчезает и не возникает; она может только переходить из одной формы в другую.

- 2 закон: при переходе из одной формы энергии в другую часть её утрачивается – переходит в тепло. Эта энергия , более уже не способная производить полезную работу, характеризуется величиной, которая получила название энтропия. При всяком превращении энергии энтропия возрастает. Поэтому для выполнения любой работы требуется избыток энергии.

В общем виде поток энергии можно представить схемой:
Энергия Солнца автотрофы органические в-ва АТФ работа
2. АТФ – универсальное «топливо».
Роль АТФ можно сравнить с ролью денег. Клетка нуждается в АТФ точно так же, как мы нуждаемся в наличных деньгах, чтобы расплатиться. Очень невыгодно на каждую эндэргоническую реакцию «заводить» свою отдельную экзэгоническую. Гораздо удобнее иметь одну универсальную сильно экзэргоническую реакцию и сопрягать с ней все эндэргонические. Такой универсальной реакцией в клетке служит гидролиз АТФ. Она может превращаться в другие формы: в тепловую, световую и т.д. АТФ может сберегаться, а затем клетка снова может использовать её. АТФ занимает важное место в экономике живого.
По составу АТФ относится к нуклеиновым кислотам. В отличие от других НК, это вещество не является полимером. Оно состоит из аденина, пентозы и 3 остатков фосфорной кислоты. В молекуле АТФ 2 высокоэргические фосфатные связи. Во время их разрыва высвобождается гораздо больше энергии (40 кДж), чем при других ковалентных связях (12 кДж):

Для образования АТФ необходимо к АДФ присоединить остаток фосфорной кислоты. Эти реакции носят название реакции фосфорилирования. Способы фосфорилирования:
- Окислительное фосфорилирование.
- Фотофосфорилирование.
Это требует большего количества энергии.

3. Энергетический обмен.
Большая часть клеточного АТФ образуется в результате процесса, открытого в 60-е гг. и получившего название химио-осмос.
Химио-осмос протекает в хлоропластах и митохондриях. В нём можно выделить 2 этапа:

1. Накопление энергии.
2. Использование её для синтеза АТФ.

Энергия , используемая при этом процессе, - электрохимическая. Она зависит от наличия ионов, т.е. частиц, несущих электрические заряды. Противоположно заряженные частицы притягивают друг друга и потому движутся навстречу. Электрохимическая энергия будет накапливаться, если эти частицы разделен барьером, который не даёт им соединиться. Эту электрохимическую энергию можно заставить производить работу, дав возможность частицам проходить через барьер.

• Что может служить барьером в клетке?
Роль «горючего» выполняют атомы Н, разделившиеся на 2 вида заряженных частиц: протоны Н⁺ и электроны е^- .
Особые молекулы составляют электроннотранспортную цепь; они переносят е- на другую сторону мембраны, не давая им соединиться с Н+ (принцип Митчелла).Запас энергии определяется количеством Н⁺ , который заключён в мембране (протонный резервуар). Мембрана непроницаема для Н⁺ , но в ней имеются каналы, по которым эти протоны могут проходить. С каналами связаны АТФ-синтетазы – ферменты, катализирующие синтез АТФ. АТФ-азам для синтеза нужна энергия; они получают её вследствие утечки Н⁺ из протонного резервуара через каналы. Главное назначение митохондрий и хлоропластов состоит в пополнении протонного резервуара за счёт разделения атомов водорода на Н⁺ и е^- . в хлоропластах источником необходимой для этого энергии является свет, в митохондриях – энергия расщепления органических веществ.
Совокупность реакций, в ходе которых образуется энергия, называется энергетическим обменом = катаболизмом (katabole – сбрасывание вниз) = диссимиляцией. Эти реакции носят ферментативный характер. Таким образом, клетка избегает прямого использования энергии внешних ресурсов для совершения полезной работы. Она сначала превращает их в одну из 3 форм

которые затем расходуются для осуществления различных энергетических процессов.

4. Пластический обмен.
Все обменные процессы клетки тщательно регулируются. Существует несколько путей регуляции химической активности. Один из них – экспрессия генов. Для того, чтобы «включить» или «выключить» ген, необходимы вещества-активаторы или репрессоры
(чаще всего, ферменты). В клетке синтезируются различные вещества, но видоспецифическими реакциями являются реакции синтеза различных белков. Нарушение биосинтеза белков может привести к блокировке жизненно важных реакций. Эти реакции имеют особенный характер: должны синтезироваться сложные по структуре макромолекулы, должна соблюдаться последовательность звеньев-мономеров, характерная для данного полипептида, сборка молекулы должна идти с большой скоростью. Обычные химические реакции не могут обеспечить соблюдение этих условий.
Реакции синтеза белка, ДНК идут с использованием «плана», матрицы построения молекул. Такие реакции называются реакциями матричного типа (репликация, транскрипция, трансляция)

Совокупность ферментативных реакций синтеза органических молекул, идущих с расходованием энергии, называются пластическим обменом = анаболизмом(anabole – отложение) = ассимиляцией

III. ОБОБЩЕНИЕ.

Давайте попробуем ответить на вопрос, стоявший в начале занятия.
- Отличаются ли процессы, протекающие в живой клетке, от процессов неживой природы?
Итак, в системе живой клетки действие основных физических законов сохраняется. В то же время есть и свои особенности, с которыми мы познакомимся более подробно на семинарах.

IV. Д \ З. Подготовиться к см «Фотосинтез. Хемосинтез», §§24, 25

Урок и материалы к уроку скачать