Этапы энергетического обмена. Аэробное и анаэробное дыхание. Роль клеточных органоидов в процессах энергетического обмена.

Тема урока: Этапы энергетического обмена. Аэробное и анаэробное дыхание. Роль клеточных органоидов в процессах энергетического обмена.

Энергетический обмен (катаболизм) - это совокупность реакций расщепления сложных органических соединений, сопровождающихся выделением энергии. (Запись в тетрадь).

Энергия, освобождающаяся при распаде органических веществ, частично рассеивается в виде тепла, а часть запасается в форме АТФ и других высокоэнергетических соединений. В дальнейшем энергия АТФ используется для обеспечения разнообразных процессов жизнедеятельности клетки: биосинтетических реакций, транспорта веществ в клетку, проведения импульсов, сокращения мышц, выделения секретов и тому подобное, поэтому АТФ — универсальный источник энергообеспечения клетки. Синтез АТФ происходит в клетках всех организмов в процессе фосфорилирования — присоединения неорганического фосфата к АДФ.

Энергетический обмен состоит из трёх этапов. 

Обучающиеся получают рабочую таблицу и по ходу изучения темы заполняют ее.

ЭТАПЫ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБМЕНА

У АЭРОБОВ У АНАЭРОБОВ

1.Подготовительный 1. Подготовительный

2.Бескислородный 2. Бескислородный

3.Кислородный

Каждый из этих этапов делится на отдельные звенья и представляет собой цепь биохимических процессов. Процессы строго упорядочены. Все реакции осуществляются при участии ферментов

У аэробных организмов (живущих в кислородной среде) выделяют три этапа энергетического обмена: подготовительный, бескислородный (бескислородное окисление) и кислородный (кислородное окисление); у анаэробных организмов (живущих в бескислородной среде) и аэробных при недостатке кислорода — два этапа: подготовительный, бескислородный.

Характеристика этапов энергетического обмена. 

I этап - подготовительный. (слайд 12)

Происходит в пищеварительном тракте, внутри клетки в лизосомах под действием ферментов (амилазы, мальтазы и других). Что происходит с органическими веществами в процессе пищеварения? (слайд 13) Ответ обучающихся: Сложные органические вещества расщепляются до простых соединений или мономеров. Белки-----------аминокислоты Липиды--------глицерин + жирные кислоты Углеводы------глюкоза Мономеры вместе с кровью поступают в клетки, где претерпевают дальнейшие изменения. Что происходит с энергией при расщеплении всех этих веществ? Ответ обучающихся: Энергия рассеивается в виде тепла. Образовавшиеся небольшие органические молекулы могут быть использованы в качестве «строительного материала» или могут подвергаться дальнейшему расщеплению.

II этап, гликолиз (бескислородный).  Осуществляется в цитоплазме клеток без участия кислорода, поэтому его ещё называют  бескислородный или неполное расщепление.

Наиболее доступным источником энергии в клетке является продукт распада полисахаридов – глюкоза, второй этап энергетического обмена мы рассмотрим на примере ее бескислородного расщепления.

Бескислородное расщепление может осуществляться 3 способами:

1. Гликолизом

2. Спиртовым брожением

3. Молочно-кислым брожением

А) Гликолиз – процесс расщепления углеводов в отсутствии кислорода под действием ферментов. 

Где происходит? В цитоплазме клетки животных.

Потеря электронов называется окислением, приобретение — восстановлением, при этом донор электронов окисляется, акцептор восстанавливается.

Гликолиз — сложный многоступенчатый процесс, включающий в себя десять реакций. Во время этого процесса происходит дегидрирование глюкозы, акцептором водорода служит кофермент НАД⁺ (никотинамидадениндинуклеотид). Глюкоза в результате цепочки ферментативных реакций окисляется и превращается в две молекулы пировиноградной кислоты (ПВК), при этом суммарно образуются 2 молекулы АТФ и восстановленная форма переносчика водорода НАД·Н_2. В результате гликолиза одной молекулы глюкозы высвобождается 200 кДж, из которых 120 кДж рассеивается в виде тепла, а 80 кДж запасается в связях АТФ:

Что происходит?  С₆Н₁₂О₆ + 2АДФ + 2Н₃РО₄ + 2НАД⁺ → 2С₃Н₄О₃ + 2АТФ + 2Н₂О + 2НАД·Н₂.

глюкоза фосфорная ПВК вода …………………………………… кислота

Итог: энергия запасается в виде 2 молекул АТФ. 

Б) Спиртовое брожение.

Где происходит? В растительных и некоторых дрожжевых клетках вместо гликолиза.

Что происходит и образуется? Дальнейшая судьба ПВК зависит от присутствия кислорода в клетке. Если кислорода нет, у дрожжей и растений происходит спиртовое брожение, при котором сначала происходит образование уксусного альдегида, а затем этилового спирта:

С₃Н₄О₃ → СО₂ + СН₃СОН,

СН₃СОН + НАД·Н₂ → С₂Н₅ОН + НАД⁺.

С₆Н₁₂О₆ + 2 Н₃РО₄ +2 АДФ + 2НАД·Н₂ = 2 С₂Н₅ОH + 2 CO₂ + 2 АТФ +2 Н₂О +2 НАД⁺. глюкоза фосфорная этиловый вода ………….. кислота спирт

На спиртовом брожении основано приготовление вина, пива, кваса. Тесто, замешанное на дрожжах, даёт пористый, вкусный хлеб.

В) Молочно - кислое брожение. 

Где происходит? В клетках человека, животных, в некоторых видах бактерий и грибов.

Что образуется? При недостатке кислорода происходит молочнокислое брожение с образованием молочной кислоты: С₃Н₄О₃ + НАД·Н₂ → С₃Н₆О₃ + НАД⁺.

Лежит в основе приготовления кислого молока, простокваши, кефира и др. молочнокислых продуктов питания.

ИТОГ: 40% энергии запасается в АТФ, 60% рассеивается в виде тепла в окружающую среду. В результате ферментативного бескислородного расщепления глюкоза распадается не до конечных продуктов (СО2, Н2О), а до соединений которые еще богаты энергией и, окисляясь далее, могут дать большое количество энергии.

III этап, клеточное дыхание (кислородный, кислородное расщепление). 

Третий этап энергетического обмена – кислородное расщепление. Данный этап происходит при участии кислорода и воды, поэтому его ещё называют аэробное дыхание и гидролиз. Аэробное дыхание осуществляется в митохондриях. Для того, чтобы понять механизм аэробного дыхания, нужно вспомнить строение митохондрий.

(Один из обучающихся рассказывает о строении митохондрий.)

Аэробное дыхание связано с матриксом митохондрий и внутренней мембраной. В этом процесс принимают участие, кроме субстратов ещё: 1. ферменты 2. молекулы-переносчики 3. молекулярный кислород 4. вода.

Основное условие нормального течения кислородного процесса - целостность митохондриальных мембран. СО₂ выделяется из митохондрий в окружающую среду. Атом водорода включается в цепь реакций, конечный результат которых синтез АТФ.

Этапы кислородного окисления:  а) цикл Кребса - циклический ферментативный процесс полного окисления органических веществ, образовавшихся в процессе гликолиза до углекислого газа, воды и энергии запасаемой в молекулах АТФ. б) окислительное фосфорилирование.

Сообщение учащегося о Х.А.Кребсе

Ханс Адольф Кребс (1900-1981) Британский биолог немецкого происхождения. В 1953 г. вместе с Фрицем Липманом получил Нобелевскую премию в области физиологии и медицины за открытие ЦИКЛА КРЕБСА, процесса, результатом которого является производство энергии в живых организмах (ДЫХАНИЕ).  Образовавшиеся в процессе гликолиза органические вещества поступают на ферментативный кольцевой «конвейер», который называют в честь описавшего его ученого циклом Кребса. Все ферменты, катализирующие реакции этого цикла, локализованы в митохондриях. На всех стадиях этого процесса происходит поглощение кислорода и выделение СО₂, Н ₂О и энергии, запасаемой в молекулах АТФ. 

Процесс кислородного расщепления молочной кислоты выражается уравнением: 

2 С₃Н₆О₃ + 6 О₂ + 36 АДФ + 36 Н₃РО₄ = 6 СО₂ + 42 Н₂О + 36 АТФ

2. Сколько всего молекул АТФ образуется в результате энергетического обмена?

Просуммировав это уравнение с уравнением гликолиза получим итоговое уравнение: (слайд 24)

С₆Н₁₂О₆ + 2 АДФ + 2 Н₃РО₄ = 2 С₃Н₆О₃ + 2 АТФ + 2 Н₂О + Е

2 С₃Н₆О₃ + 6 О₂ + 36 АДФ + 36 Н₃РО₄ = 6 СО₂ + 36 АТФ + 42 Н₂О + Е _____________________________________________________________

С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ + 38 АДФ + 38 Н₃РО₄ = 6 СО₂ + 38 АТФ + 44 Н₂О + Е, где Е - тепловая энергия.

С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ = 6 СО₂ + 38 АТФ

Это уравнение показывает, что в результате полного расщепления глюкозы образуются конечные продукты распада – вода и углекислый газ, а самое главное – синтезируется 38 молекул АТФ, в которых запасается большая часть энергии.

Аналогичным образом в энергетический обмен могут вступать белки и жиры. При расщеплении аминокислот помимо диоксида углерода и воды образуются азотсодержащие продукты (аммиак, мочевина), выводящиеся через выделительную систему.