Урок "Клітинне дихання. Біохімічні механізми дихання"

Урок № 17 Клітинне дихання. Біохімічні механізми дихання.

Мета: ознайомити з особливостями клітинного дихання, біохімічними механізмами дихання; розкрити значення клітинного дихання для живих організмів та його планетарну роль; розвивати пам’ять, увагу, творче мислення, мову, уміння порівнювати, аналізувати й узагальнювати інформацію, робити логіч­ні висновки; виховувати дбайливе ставлення до всіх живих організмів, еко­логічне мислення, творчу активність; формувати науковий світогляд, інтерес до предмета.

Тип уроку: урок засвоєння нових знань.

Місце уроку в навчальній темі: поточний.

Компетентності, які формуються в учнів: уміння вчитися, спілкуватися державною мо­вою, соціальна, комунікативна, здоров’язбережувальна, екологічна грамот­ність, науково-природнича.

Очікувані результати: учні характеризують процеси клітинного дихання; пояснюють значення гліколізу, процесів анаеробного й аеробного дихання; обґрунтовують зв’язок будови мембран клітини з виконуваними функціями.

Наскрізна лінія: Екологічна безпека і сталий розвиток.

Хід уроку:

І. Організаційний момент.

II. Перевірка домашнього завдання:

Учням пропонують пройти тестування за посиланням    (https://naurok.com.ua/test/obmin-rechovin-i-energi-1118873.html ).

Гра «Хто я?».

1. Я — одномембранний мішечок, наповнений клітинним соком. (Вакуоля.)

2. Я — невелике кругле тільце, яке має ферменти, що розщеплюють білки, жири, вуглеводи. (Лізосома.)

3. Я — одномембранна органела, яка містить цистерни, міхурці і трубочки. (Апарат Гольджі.)

4. Я — одномембранна органела, яка має дві структури. (Ендоплазматична сітка.)

5. Я — одномембранна органела, яка може накопичувати алкалоїди. (Вакуоля.)

6. Я — одномембранний міхурець, який здатний розщеплювати жирні кислоти. (Пероксисома.)

ІІІ. Мотивація навчальної діяльності

Технологія «Здивуй»

Площа мембран мітохондрій, які містяться в печінці звичайного білого лабораторного щура, становить 40 м². Якщо виділити всі мітохондрії із серця цього трудівника і розрахувати поверхню їхніх мембран, одержимо 250 м². А якщо розрахувати поверхню мембран літального м’яза мухи, то одержимо фантастичну цифру — 400 м².

— Чим це можна пояснити? Що об’єднує ці органели?

— Як будова цих органел відповідає їхнім функціям?

Обговорення цитати

«Ти дихаєш, а отже, ти існуєш.» Платон

— Чи погоджуєтеся ви з думкою давньогрецького філософа?

— Чи всі живі істоти дихають? (Так, окрім вірусів, це властивість живих організмів)

— А для чого ми дихаємо? (Щоб отримувати кисень, який необхідний для утворення енергії)

Повідомлення теми уроку. Визначення разом з учнями мети і завдань уроку.

IV. Засвоєння нового матеріалу

Дихання клітини - це сукупність процесів біологічного окиснення поживних речовин з вивільненням хімічної енергії, що акумулюється в АТФ.

Процеси життєдіяльності клітин є дуже складними. Але їхнє розуміння є важливим, оскільки саме на клітинному рівні визначаються усі життєві функції організмів. Як ілюстрацію цього твердження розглянемо аеробне дихання клітин. Основна умова здійснення цього процесу — наявність у навколишньому середовищі кисню і поглинання його клітиною. Стадія кисневого розщеплення, як і попередня стадія безкисневого розщеплення, являє собою ряд послідовних ферментативних реакцій. Кожна реакція каталізується особливим ферментом.

Увесь ферментативний ряд кисневого розщеплення зосереджений у мітохондріях, де ферменти розміщені на мембранах правильними рядами. Суть кожної з реакцій полягає в окисненні органічної молекули, яка з кожним ступенем поступово руйнується і перетворюється на кінцеві продукти окиснення: вуглекислий газ і воду. Усі проміжні реакції кисневого розщеплення, як і проміжні реакції безкисневого процесу, супроводжуються вивільненням енергії. Але кількість енергії, яка вивільняється на кожному ступені кисневого процесу, значно більша, ніж на кожному ступені безкисневого процесу. У сумі кисневе розщеплення дає величезну кількість енергії — 2600 кДж (650 ккал). Якби вся ця енергія вивільнилася в результаті однієї реакції, то клітина зазнала б теплового пошкодження. Оскільки процес поділяється на ряд проміжних ланок, такої загрози немає.

Не слід плутати легеневе дихання та клітинне. Легеневе дихання – фізіологічний процес, внаслідок якого певні гази потрапляють з повітря в кров і навпаки.

Клітинне дихання – біохімічний процес, сукупність хімічних реакцій у клітинах.

Виділяють наступні етапи клітинного дихання:

ПЕРШИЙ ЕТАП (БЕЗКИСНЕВИЙ):

Гліколіз - це послідовність ферментативних реакцій розщеплення глюкози та інших субстратів до пірувату або лактату, що супроводжується біосинтезом АТФ.  Є центральним шляхом катаболізму вуглеводів, що наявний у клітинах тварин, рослин і більшості мікроорганізмів. Залежно від умов існування клітини здатні розщеплювати вуглеводи до пірувату (аеробний гліколіз) або до лактату, пропіонату, бутирату, етанолу, гліцеролу тощо.

ДРУГИЙ ЕТАП ( КИСНЕВИЙ):

• Розщеплюються прості органічні речовини, які утворилися під час першого етапу, або  у  результаті  інших  біохімічних  реакцій.
• Піруват транспортується  з  цитозолю  в  матрикс  мітохондрії,  де  відбувається його  окисне  декарбоксилювання  , а потім його подальше окиснення до вуглекислого газу та води.

Результатом гліколізу є утворення двох молекул Пірувату( піровиноградна кислота) , двох молекул води та дві молекули АТФ. Тоді як результатом клітинного дихання є утворення 34 молекул АТФ. Саме мітохондрії відіграють основну роль в процесі дихання.

Мітохондрії є практично в усіх еукаріотичних клітинах. Кількість мітохондрій у клітині коливається від 1 до 100 тис. і залежить від типу, функціональної активності та віку клітини. Так, у рослинних клітинах мітохондрій менше, ніж у тварин; а в молодих клітинах більше, ніж у старих. Життєвий цикл мітохондрій становить кілька днів. У клітині мітохондрії зазвичай скупчуються поблизу ділянок цитоплазми, де виникає потреба в АТФ. Наприклад, у серцевому м’язі мітохондрії розміщуються поблизу міофібрил, а в сперматозоїді утворюють спіральний футляр навколо осі джгутика.

Мітохондрія оточена внутрішньою і зовнішньою мембранами, які складаються з подвійного шару фосфоліпідів і білків. Ці дві мембрани схожі, проте мають різні властивості. Зовнішня мембрана гладенька, вона не утворює ніяких складок і виростів. Внутрішня мембрана утворює численні складки — кристи, спрямовані в порожнину мітохондрії. Кристи, які розширюють зовнішню ділянку внутрішньої мітохондріальної мембрани, збільшують її здатність виробляти АТФ. Між зовнішньою і внутрішньою мембраною існує простір, який називається міжмембранним.

Простір, обмежений внутрішньою мембраною, називають матриксом. Матрикс містить надзвичайно сконцентровану суміш сотень ферментів, на додаток до спеціальних мітохондріальних рибосом, тРНК і кільцеву мітохондріальну ДНК.

Мітохондрії мають свій власний генетичний матеріал і системи для виробництва власної РНК і білків.

Ця нехромосомна ДНК кодує нечисленні мітохондріальні пептиди (13 у людини), що використовуються у внутрішній мітохондріальній мембрані разом з білками, які кодуються генами клітинного ядра.

Основна функція мітохондрій — перетворення енергії та утворення АТФ, що містить макроергічні зв’язки.

Увесь ферментативний ряд кисневого розщеплення зосереджений у мітохондріях, де ферменти розміщені на мембранах правильними рядами. Суть кожної з реакцій полягає в окисненні органічної молекули, яка з кожним ступенем поступово руйнується і перетворюється на кінцеві продукти окиснення: вуглекислий газ і воду. Усі проміжні реакції кисневого розщеплення, як і проміжні реакції безкисневого процесу, супроводжуються вивільненням енергії. Але кількість енергії, яка вивільняється на кожному ступені кисневого процесу, значно більша, ніж на кожному ступені безкисневого процесу. У сумі кисневе розщеплення дає величезну кількість енергії — 2600 кДж (650 ккал). Якби вся ця енергія вивільнилася в результаті однієї реакції, то клітина зазнала б теплового пошкодження. Оскільки процес поділяється на ряд проміжних ланок, такої загрози немає.

Схема енергетичного обміну

Цикл Кребса:

Докладне дослідження реакцій кисневого розщеплення показало що кисневий процес, як і безкисневий, нерозривно зв’язаний із синтезом АТФ. У процесі кисневого розщеплення двох молекул піровиноградної (молочної) кислоти утворюються 36 молекул АТФ — 36 багатих на енергію фосфатних зв’язків. Отже, сумарне рівняння кисневого процесу можна записати так:

2C₃H₆O₃ + 6O₂ + 36H₃PO₄ + 36АДФ = 6CO₂ + 6H₂O + 36АТФ + 36H₂O,

а сумарне рівняння повного розщеплення глюкози таке:

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ + 38H₃PO₄ + 38АДФ → 6CO₂ + 6H₂O + 38АТФ + 38H₂O

                                                                                                      44H₂O.

       Якщо в процесі безкисневого розщеплення глюкози вивільняється 200 кДж (50 ккал), то в стадії кисневого процесу вивільняється 2600 кДж (650 ккал), тобто в 13 разів більше. Якщо в процесі безкисневого розщеплення синтезуються дві молекули АТФ, то в кисневій стадії їх утворюється 36, тобто у 18 разів більше. Іншими словами, внаслідок розщеплення глюкози в клітині на стадії кисневого процесу вивільняється і перетворюється на інші форми енергії понад 90 % енергії глюкози.

Формулювання висновку:

• Для синтезу АТФ у процесі гліколізу не потрібні мембрани. Він відбувається і в пробірці, якщо є всі ферменти і субстрати.

• Для кисневого процесу потрібні мітохондріальні мембрани.

• Розщеплення 1 молекули глюкози до вуглекислого газу і води забезпечує синтез 38 молекул АТФ (у безкисневій стадії утворюються 2 молекули АТФ, а у кисневій — 36 молекул АТФ).

• При нестачі кисню або пошкодженні мітохондрій клітина, щоб дістати необхідну для життя кількість АТФ, використовує безкисневий процес. Для цього їй потрібно в 20 разів більше глюкози, ніж у нормі.

V. Узагальнення і закріплення знань

«Творча лабораторія».

— У клітинах різних органів пацюка сумарний об’єм мітохондрій по відношенню до загального об’єму клітини становить: у печінці — 18,4 %, у підшлунковій залозі — 7,9 %, у серці — 35,8 %. Поясніть причину такої різниці у вмісті мітохондрій у клітинах.

— Апарат Гольджі найбільш розвинутий у залозистих клітинах (підшлункова залоза, слинна залоза). Мітохондрій у цих клітинах значно менше. Поясніть факти з точки зору функцій, які виконують ці органи.

Рефлексія

«Найбільше мені запам'яталось...»

«Я зможу розповісти друзям, що...»

«Сьогодні я був здивований тим, що...»

«Я зможу довести батькам, що...»

«Найцікавішим на уроці для мене було...»

VI. Домашнє завдання

§15 опрацювати.

Підготувати повідомлення на тему «Історія відкриття фотосинтезу»