Лекция "Энергетика живой клетки"

1/29/18

ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ ГОРОДА МОСКВЫ Северо-Восточный административный округ "Государственное бюджетное общеобразовательное учреждение города Москвы "Школа с углубленным изучением английского языка № 1415

• Предмет: естествознание 10 класс
• Тема 38: Энергетика живой клетки.

.

МАТЕРИАЛЫ ПОДГОТОВЛЕНЫ

Доцентом кафедры ПГ в составе УНК ПГиЭБ АГПС МЧС России

Учителем химии ГБОУ 1415

Герасимовой И.Н.

• План обсужден на заседании методической секции______ 18.09.2017 г. ______
• (дата)

Протокол № 2

©©©

Предмет: естествознание 10 класс Тема 38: Энергетика живой клетки.

Метаболизм

АНАБОЛИЗМ

КАТАБОЛИЗМ

Синтез

Распад

Ассимиляция

Диссимиляция

Пластический обмен

Энергетический обмен

Условия метаболизма

• Наличие энергии в виде АТФ.
• Наличие ферментов – биологических катализаторов.
• Функциональная активность органоидов, ответственных за проведение реакций окисления и синтеза.
• Чёткое управление со стороны клеточного ядра.
• Наличие исходных веществ.

АНАБОЛИЗМ

– это совокупность

химических реакций

направленных на образование веществ

Биосинтез сложных веществ

аминокислоты

белок

нуклеотиды

нуклеиновые кислоты

крахмал

глюкоза

Пластический обмен интенсивно проходит в молодом возрасте

У насекомых синтез хитина

У растений

У позвоночных

синтез целлюлозы

синтез кератина

1/29/18

КАТАБОЛИЗМ

- это совокупность

реакций, в которых происходит

распад органических веществ

с высвобождением энергии

Энергия в виде АТФ

АТФ - аденозинтрифосфат

В цитоплазме

митохондрии

пластиды

П Р О К А Р И ОТ Ы

Э У К А Р И О Т Ы

Аденозин три фосфорная кислота

Строение

Три остатка

фосфорной кислоты

Это нуклеотид

Аденин

Рибоза

-Ф-Ф-Ф

АМФ

АДФ

АТФ

Как происходит

образование энергии в клетке?

Три остатка

фосфорной кислоты

моносахарид

Азотистое основание

-Ф-

Ф-

Ф

Аденин

Рибоза

40

40

кДж

кДж

Макроэргические связи

-Ф-Ф-Ф

1/29/18

аденозинтрифосфат

Молекула аденозинтрифосфата

Это очень ценное эволюционное приобретение: энергия, добытая из внешнего источника, запасается в виде «высоко энергетических связей» между фосфатными группами. АТФ весьма охотно отдает свои фосфатные группы либо воде, либо другим молекулам, поэтому он незаменимый посредник для переноса химической энергии (фото: www.sciam.ru)

1/29/18

Способы получения энергии живыми существами

Растения преобразуют энергию солнечных лучей в энергию АТФ в процессе фотосинтеза. Хемосинтезирующие бактерии запасают энергию в форме АТФ, получаемую при химических реакциях окисления различных неорганических соединений. Гетеротрофы получают энергию в результате окисления молекул органических веществ, поступающих с пищей. В ходе биологического окисления расщепление сложных органических веществ осуществляется поэтапно и может идти двумя путями:

1) Неполное окисление органических веществ;

2) Полное окисление органических веществ до СО 2 и Н 2 О.

Этапы энергетического

обмена

организмы

АЭРОБЫ

АНАЭРОБЫ

(+О 2 )

(-О 2 )

3 этапа

2 этапа

энергетического

обмена

энергетического

обмена

Биологическое окисление

Процесс энергетического обмена можно разделить на три этапа:

на первом этапе происходит пищеварение, то есть сложные органические молекулы расщепляются до мономеров;

на втором происходит бескислородное окисление этих мономеров;

на последнем этапе происходит окисление с участием кислорода в митохондриях.

Процесс энергетического обмена можно разделить на три этапа: на первом этапе происходит пищеварение, то есть сложные органические молекулы расщепляются до мономеров, на втором происходит бескислородное окисление этих мономеров — гликолиз, и на последнем этапе происходит окисление с участием кислорода в митохондриях.

Подготовительный этап. Под действием ферментов пищеварительного тракта или ферментов лизосом белковые молекулы расщепляются до аминокислот, жиры — до глицерина и карбоновых кислот, углеводы — до глюкозы, нуклеиновые кислоты — до нуклеотидов. Вся энергия при этом рассеивается в виде тепла.

Гликолиз, или бескислородное окисление. Окисление глюкозы в клетках без участия кислорода происходит путем дегидрирования, акцептором Н служит кофермент НАД+. Реакции протекают в цитоплазме , глюкоза с помощью 10 ферментативных реакций превращается в 2 молекулы ПВК — пировиноградной кислоты и образуется восстановленная форма переносчика водорода НАД·Н2 никотинамидаденин-динуклеотида. При этом образуется 200 кДж энергии, 120 рассеивается в форме тепла, 80 кДж запасается в форме 2 моль АТФ:

С6Н12О6 + 2АДФ + 2Н3РО4 + 2НАД+ 

2 С3Н4О3 + 2АТФ + 2Н2О + 2НАД·Н2

Дальнейшая судьба ПВК зависит от присутствия О2 в клетке, если О2 нет, происходит анаэробное дыхание , причем у дрожжей и растений происходит спиртовое брожение , при котором сначала происходит образование уксусного альдегида, а затем этилового спирта:

I. С3Н4О3  СО2 + СН3СОН (уксусный альдегид)

II. СН3СОН + НАД·Н2  С2Н5ОН + НАД+

У животных и некоторых бактерий при недостатке О2 происходит молочнокислое брожение с образованием молочной кислоты:

С3Н4О3 + НАД·Н2  С3Н6О3 + НАД+

Третий этап энергетического обмена — кислородное окисление , или дыхание , происходит в митохондриях. Пировиноградная кислота проникает в митохондрии, происходит ее дегидрирование (отщепление водорода) и декарбоксилирование (отщепление углекислого газа) с образованием двухуглеродной ацетильной группы, которая вступает в цикл реакций, получивших название реакций цикла Кребса (рис. 299). Здесь происходит дальнейшее окисление, связанное с дегидрированием и декарбоксилированием. В результате на каждую разрушенную моль ПВК из митохондрии удаляется 3 моль СО2, образуется 5 пар атомов водорода, связанных с переносчиками (4 НАДН2, ФАДН2), а также моль АТФ.

Суммарная реакция гликолиза и разрушения ПВК в митохондриях до водорода и углекислого газа выглядит следующим образом:

С6Н12О6 + 6Н2О  6СО2 + 4АТФ + 12Н2

2АТФ образуются при гликолизе, две — в цикле Кребса; 2 пары атомов (2НАД·Н2)образовались при гликолизе, 10 пар — в цикле Кребса.

Рис.299. Цикл Кребса.

Последним этапом является окисление пар атомов водорода с участием О2 до Н2О с одновременным фосфорилированием АДФ до АТФ. Этот процесс происходит на внутренней мембране митохондрий. Водород передается по трем большим ферментным комплексам дыхательной цепи (флавопротеин, кофермент Q, цитохромы), расположенным во внутренней мембране митохондрий. У водорода отбираются электроны, а протоны закачиваются в межмембранное пространство митохондрий, в «протонный резервуар». Внутренняя мембрана непроницаема для ионов водорода. Электроны передаются по ферментам дыхательной цепи на цитохромоксидазу . Когда разность потенциалов на внешней и внутренней стороне внутренней мембраны достигает 200 мВ, протоны (12Н2) проходят через канал фермента АТФ-синтетазы и с помощью цитохромоксидазы происходит восстановление кислорода до воды (12Н2О) с выделением энергии, часть которой (55%) запасается в форме 34АТФ (рис. 300).

Рис. 300. Дыхательная цепь и АТФ-синтетаза.

Суммарная реакция энергетического обмена выглядит так:

С6Н12О6 + 6О2  6СО2 + 6Н2О + 38АТФ + Qт

Если внутренняя мембрана повреждена, то окисление НАДН2 продолжается, но не работает АТФ-синтетаза и образования АТФ не происходит, вся энергия выделяется в форме тепла.

Этапы энергетического обмена

катаболизм

Гликолиз- бескислородное расщипление глюкозы

Подготовительный этап

Кислородное расщепление глюкозы

Понятие энергетического обмена в клетке.

Энергетический обмен — совокупность реакций окисления органических веществ в клетке, синтеза молекул АТФ за счет освобождаемой энергии.

Схема стадий энергетического обмена.

Сложные углеводы

(гликоген C 6 H 11 O 5 ).

Подготовительный этап.

Простые углеводы

(глюкоза C 6 H 12 O 6 ).

Бескислородный этап (гликолиз)

Молочная кислота

C 3 H 6 O 3 .

Этап полного кислородного расщепления (клеточное дыхание).

CO 2 .

H 2 O.

Подготовительный этап

• Происходит в ЖКТ.
• Заключается в первичном расщеплении органических веществ на составные части, всасывании в кровь и распределению по клеткам тела.
• В результате образуется небольшое количество рассеянной в виде тепла энергии.

Подготовительный этап.

• Заключается в ферментативном расщеплении сложных органических веществ до простых: белковые молекулы — до аминокислот, жиры — до глицерина и карбоновых кислот, углеводы — до глюкозы, нуклеиновые кислоты — до нуклеотидов. Распад высокомолекулярных органических соединений осуществляется или ферментами желудочно-кишечного тракта или ферментами лизосом. Вся высвобождающаяся при этом энергия рассеивается в виде тепла. Образовавшиеся небольшие органические молекулы могут быть использованы в качестве «строительного материала» или могут подвергаться дальнейшему расщеплению.

Белковые молекулы.

Аминокислоты.

Глицерин и карбоновые кислоты.

Жиры.

Углеводы.

Глюкоза.

Нуклеиновые кислоты.

Нуклеотиды.

Бескислородный этап. Гликолиз.

• Этот этап заключается в дальнейшем расщеплении органических веществ, образовавшихся во время подготовительного этапа, происходит в цитоплазме клетки и в присутствии кислорода не нуждается. Главным источником энергии в клетке является глюкоза. Процесс бескислородного неполного расщепления глюкозы — гликолиз.
• При гликолизе одна молекула глюкозы расщепляется до двух молекул пировиноградной кислоты (ПВК). Из АДФ синтезируется АТФ. Однако процесс идёт с небольшим выделением энергии (1 М глюкозы – 200 кДж).

Уравнение гликолиза:

C 6 H 12 0 6 + 2H 3 PO 4 + 2АДФ

2C 3 H 6 0 3 + 2АТФ + 2H 2 0.

Неполное окисление

В результате гликолиза 40% выделившейся энергии запасается в виде АТФ, 60% - рассеивается в виде тепла.

**Тест 1. На подготовительном этапе энергетического обмена происходит:

Гидролиз белков до аминокислот.

Гидролиз жиров до глицерина и карбоновых кислот.

Гидролиз углеводов до моносахаридов.

Гидролиз нуклеиновых кислот до нуклеотидов.

Тест 2. Обеспечивают гликолиз:

Ферменты пищеварительного тракта и лизосом.

Ферменты цитоплазмы.

Ферменты цикла Кребса.

Ферменты дыхательной цепи.

Тест 3. В результате бескислородного окисления в клетках у животных при недостатке О2 образуется:

ПВК.

Молочная кислота.

Этиловый спирт.

Ацетил-КоА.

Тест 4. В результате бескислородного окисления в клетках у растений при недостатке О2 образуется:

ПВК.

Молочная кислота.

Этиловый спирт.

Ацетил-КоА.

Тест 5. При гликолизе моль глюкозы образуется всего энергии:

200 кДж.

400 кДж.

600 кДж.

800 кДж.

Тест 6. Три моль глюкозы подверглось гликолизу в животных клетках при недостатке кислорода. При этом углекислого газа выделилось:

3 моль.

6 моль.

12 моль.

Углекислый газ в животных клетках при гликолизе не выделяется.

***Тест 7. К биологическому окислению относятся:

Окисление вещества А в реакции: А + О2  АО2.

Дегидрирование вещества А в реакции: АН2 + В  А + ВН2.

Потеря электронов (Fe2+ в реакции Fe2+  Fe3+ + е- ).

Приобретение электронов (Fe3+ в реакции Fe2+  Fe3+ + е- ).

**Тест 8. Реакции подготовительного этапа происходят:

В пищеварительном тракте.

В митохондриях.

В цитоплазме.

В лизосомах.

Тест 9. Энергия, которая выделяется в реакциях подготовительного этапа:

Рассеивается в форме тепла.

Запасается в форме АТФ.

Большая часть рассеивается в форме тепла, меньшая — запасется в форме АТФ.

Меньшая часть рассеивается в форме тепла, большая — запасется в форме АТФ.

Тест 10. Энергия, которая выделяется в реакциях гликолиза:

Рассеивается в форме тепла.

Запасается в форме АТФ.

120 кДж рассеивается в форме тепла, 80 кДж — запасется в форме АТФ.

80 кДж рассеивается в форме тепла, 120 кДж — запасется в форме АТФ.

ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫЙ ЭТАП

пищеварительный

канал

УГЛЕВОДЫ

ЖИРЫ

БЕЛКИ

ЖИРНЫЕ КИСЛОТЫ

ГЛЮКОЗА

АМИНОКИСЛОТЫ

ГЛИЦЕРИН

C 6 H 12 O 6

ЦИТОПЛАЗМА

КЛЕТКИ

ГЛИКОЛИЗ (БЕСКИСЛОРОДНЫЙ ЭТАП)

ПИРОВИНОГРАДНАЯ

КИСЛОТА

2C 3 H 6 O 3

2АТФ + 2НАД ۰ Н 2

2Н 2 О + ТЕПЛО

МИТОХОНДРИИ

КЛЕТОЧНОЕ ДЫХАНИЕ (КИСЛОРОДНЫЙ ЭТАП)

36АТФ + 2НАД ۰ Н 2

42Н 2 О + 6СО 2 + ТЕПЛО

ИТОГО:

38АТФ + 4НАД ۰ Н 2

1/29/18

1/29/18

Клеточное дыхание.

• Заключается в полном расщеплении пировиноградной кислоты, происходит в митохондриях и при обязательном присутствии кислорода. Присущ только аэробам. Идёт с большим выделением энергии.

• В этом процессе органические вещества, образовавшиеся в ходе второго этапа при бескислородном расщепление и содержащие большие запасы химической энергии, окисляются до углекислого газа и воды.

Энергетический обмен общая схема

• Цикл лимонной кислоты
• 19 реакций
• Исходно ПВК:

• СО 2 2 АТФ НАД*Н 2 ФАД*Н 2
• СО 2
• 2 АТФ
• НАД*Н 2
• ФАД*Н 2

Цикл Кребса

Анаэробное дыхание

• Только бактерии!
• Без кислорода!
• 1 этап – гликолиз
• 2 этап – электроны восстанавливают неорг.в-ва:

• Азот – денитрификаторы
• Азот – денитрификаторы

• (N +5 O 3 ) - – N -3 H 3 Серу – сульфатредукторы (S +6 O 4 ) 2- – H 2 S
• (N +5 O 3 ) - – N -3 H 3
• (N +5 O 3 ) - – N -3 H 3
• Серу – сульфатредукторы (S +6 O 4 ) 2- – H 2 S
• (S +6 O 4 ) 2- – H 2 S

Брожение

• Бескислородное неполное расщепление ПВК
• Акцепторы электронов – органические молекулы
• Бактерии, грибы, животные

• Спиртовое: ПВК-укс.альдегид-спирт Молочно-кислое: ПВК-молочная к-та Другие виды
• Спиртовое: ПВК-укс.альдегид-спирт
• Молочно-кислое: ПВК-молочная к-та
• Другие виды

• ! В чем заключаются различия между пластическим и энергетическим обменом?
• ! Как преобразуется энергия солнечных лучей в световую фазу фотосинтеза?
• Какие процессы проходят в темновую фазу фотосинтеза?
• Почему фотосинтез называют процессом отражения планетно-космического

взаимодействия?

Вопросы для размышления ( письменно)

1/29/18

Задание для самостоятельной подготовки

1. Энергетика живой клетки § 38

Вопросы для размышления ( письменно )

Закон всемирного тяготения {Физика, 7-9 кл.) . Периодический закон и периодическая система химических элементов

Д. И . Менделеева. Биологически важные вещества : жиры, углеводы, белки {Химия, 7-9 кл.).

1/29/18