Метаболизм - основа существования живых организмов

Цель: сформировать представление о метаболизме как совокупности реакций обмена веществ в клетке.

Оборудование: таблица по общей биологии “Метаболизм”.

Ход урока

I. Организационный момент

II. Промежуточный контроль знаний по теме “Органеллы клетки”, “Клеточные разновидности”

Выполнение заданий на карточках (См. приложение 2).

III. Актуализация опорных знаний

— Клетка непрерывно изменяется в процессе жизнедеятельности. Атомы, молекулы и другие частицы в клетке хаотично движутся, поэтому постоянно происходит повреждение и разрушение, как макромолекул, так и тех клеточных структур, в состав которых они входят. Каким же образом при этом она сохраняет

свою форму и химический состав? (Предполагаемый ответ. Клетка сохраняет свою форму и химический состав благодаря обмену веществ, как одному из основных свойств, присущих всему живому).

IV. Изучение новой темы

— Правильно. По мнению физиков, во Вселенной самопроизвольно идут только те процессы, которые приводят к увеличению беспорядка или хаоса. Для процессов, которые ведут к увеличению порядка, необходима затрата энергии. А так как живой организм, в том числе и клетка, — это упорядоченная система, то все процессы жизнедеятельности (от синтеза макромолекул до передвижения организмов в пространстве) требуют значительных затрат энергии. Но энергия может находиться в разных формах (кинетическая, тепловая, электромагнитная и др.), и эти формы в принципе могут переходить одна в другую. Однако интересующие нас живые организмы могут использовать только один вид энергии — энергию химических связей.

— А мерой энергии химических связей в молекуле служит степень окисленности (или восстановленное) молекулы. Что же такое окисление?

Заслушиваются ответы учащихся, которые затем учитель дополняет и расширяет.

Комментарии учителя. Окисление — это процесс присоединения кислорода (слово “окисление” происходит от греч. “oxygen” — кислород), и чем больше “доля” кислорода в молекуле, тем более окисленной она является. Однако окисление — это не только присоединение кислорода. В общем виде окисление — это любая реакция, в которой электроны переходят от одного атома (или молекулы) к другому. Таким образом, окисление — это удаление электронов, восстановление — их присоединение. При этом возможно не только полное их удаление, а и частичное смещение их в химической связи.

Ну, а если на процесс окисления-восстановления посмотреть с точки зрения энергетики, то можно сказать, что восстановленные соединения обладают большим запасом энергии, окисленные — меньшим. Следовательно, при окислении веществ выделяется энергия (можно вспомнить процесс горения, когда энергия окисления выделяется в виде тепла). Это связано с тем, что в восстановленных соединениях электрон (или электроны) имеют большой запас энергии. В окисленных соединениях запас энергии невысок, ядро прочно удерживает свои электроны и соединение весьма стабильно. В процессе окисления электрон теряет свою энергию, превращаясь в окисленное соединение.

Поэтому любое живое существо, от бактерии до человека, должно получать из окружающей среды не только вещества для построения своего тела, а также энергию (и, кроме того, информацию о состоянии этой среды). Таким образом, реализуются важнейшие свойства живых систем: обмен веществ, энергозависимость и раздражимость.

Совокупность ферментативных реакций, протекающих в клетке и обеспечивающих как расщепление сложных соединений, так и их синтез и взаимопревращение, называется метаболизмом, а определенная последовательность ферментативных превращений — метаболическим путем. Основными функциями метаболизма являются:

• извлечение из окружающей среды энергии органических веществ, солнечного света, химических реакций;

• превращение пищевых веществ в “строительные блоки” — предшественники макромолекул;

• сборка белков, нуклеиновых кислот, липидов, углеводов и других веществ из “строительных блоков”;

• синтез и разрушение тех молекул, которые необходимы для выполнения специфических функций клетки.

— Реакции метаболизма, приводящие к биосинтезу сложных органических соединений из более простых, называются анаболическими, а их совокупность — анаболизмом (ассимиляцией или пластическим обменом). Эти реакции, как правило, идут с использованием энергии, обеспечивающей возможность их протекания.

— Ферментативные расщепления сложных веществ на более простые составляют совокупность процессов катаболизма (диссимиляции или энергетического обмена). Следует отметить, что катаболизм и анаболизм — по сути, две стороны одной “медали”, то есть клеточного метаболизма — тесно взаимосвязаны во времени и пространстве.

Учитель обращает внимание на схему, нарисованную на доске.

— Так, анаболизм создает основу для непрерывного обновления износившихся структур клетки, для поддержания их высокого энергетического уровня. Катаболические же процессы осуществляют энергетическое обеспечение анаболических и поставляют для них исходные вещества. Кроме того, ассимиляционные процессы приводят к построению биологических структур, обеспечивающих течение и регуляцию катаболизма, а также поставляют для него изношенные и подлежащие диссимиляции макромолекулы.

— Всем живым организмам нужна пища как источник энергии для роста и жизнедеятельности. Способы получения организмом вещества и энергии — его важнейшая физиологическая характеристика. Этих способов немного.

Учитель обращает внимание на схему, вывешенную на доске.

— В природе существует лишь два способа получения органического вещества (питания): автотрофное и гетеротрофное, причем каждый из них может осуществляться несколькими способами.

Типы питания живых существ

— Автотрофное питание — это питание, в процессе которого организм самостоятельно синтезирует для построения своего тела органические вещества из неорганического (углекислого газа), используя внешний источник энергии.

— Любой из способов автотрофного питания складывается из двух этапов:

а) поглощение энергии из внешней среды и запасание ее в виде АТФ;

б) ассимиляция углекислого газа с помощью энергии АТФ и синтез из него органических веществ.

— Источником энергии для автотрофного питания может являться свет (процесс называется фотосинтезом), а также окисление неорганических веществ: серы, сероводорода, водорода, аммиака и других (процесс называется хемосинтезом). На нашей планете автотрофно питаются только бактерии и зеленые растения. которые могут использовать четыре различных типа автотрофного питания:

• фотосинтез с выделением кислорода на основе пигмента хлорофилла (осуществляют растения и цианобактерии);

• фотосинтез без выделения кислорода на основе пигмента хлорофилла (проводят зеленые и пурпурные серные, зеленые несерные бактерии и гелиобактерии):

• фотосинтез без выделения кислорода на основе белка родопсина (осуществляют архебактерии);

• хемосинтез — способ автотрофного питания, энергию для которого дает окисление бактериями неорганических веществ (осуществляют серобактерии, водородобактерии, железобактерии. нитрифицирующие бактерии).

— Гетеротрофное питание — это питание готовыми органическими веществами, синтезированными предварительно автотрофами. Гетеротрофно питаются все животные, все грибы и многие бактерии. Различают несколько способов гетеротрофного питания:

• сапрофития — питание “мертвым” органическим веществом (растительным опалом, трупами, экскрементами животных, различными остатками, детритом) характерно для животных, грибов и бактерий;

• паразитизм — питание готовым органическим другого живого существа, приносящее ему вред, характерно для животных, грибов и бактерий;

• голозойное питание включает в себя три этапа: поедание, переваривание и всасывание пищи, наблюдается у многоклеточных организмов, имеющих пищеварительную систему;

• хищничество — питание специально убитой добычей — очень распространено у животных, реже у грибов;

• фитофагия — питание растениями;

• всеядные организмы — питание как растительной, так и животной пищей.

— Подводя итог, мы заметим, что автотрофы черпают из окружающей среды энергию, преобразуя ее в органическое вещество, а гетеротрофы получают органическое вещество и окисляют его для извлечения энергии.

V. Закрепление

— Авторами этой схемы являются доктор естественных наук, чешский педагог Дануше Квасничикова и Владимир Калина. Как вы думаете, что хотели выразить они с помощью этой схемы? (Возможные ответы учащихся. На этой схеме представлено системное устройство живой природы. Система — это совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих элементов. Клетка — это система ее взаимосвязанных органелл. Живые системы являются всегда открытыми, т.е. взаимодействуют с окружающей средой: из нее они получают вещества, энергию, необходимую для жизнедеятельности, и поставляют в нее продукты и вещества, образовавшиеся в процессе жизнедеятельности.)

Домашнее задание

Учебник А.А. Каменского, §2.8, ответить на вопросы в конце параграфа; учебник И.Н. Пономаревой, §9, ответить на вопросы в конце параграфа.