Методическая разработка урока биологии по теме "Анаэробные организмы. Виды брожения" 10 класс (профильный)

Урок биологии по теме «Анаэробные организмы. Виды брожения»

Цель урока: сформировать понятия «анаэробный тип обмена», «анаэробное дыхание», «анаэробные организмы», познакомиться с различными видами брожения, рассмотреть их сущность и практическое значение, установить, для каких организмов характерны различные виды брожения, выяснить сходства и различия этих видов брожения.

Задачи:

1) получить новые знания на основе ранее изученного материала,

2) выступить с ранее подготовленными докладами по разным видам брожения,

3) закрепить полученные знания при выполнении лабораторных опытов и решении практических задач,

4) выполнить лабораторную работу с целью сравнения некоторых видов брожения.

ХОД УРОКА:

Организационный момент, целеполагание.

Здравствуйте, уважаемые коллеги и ребята. Мы продолжаем с вами изучение процессов обмена веществ и энергии в клетке, знаем, что энергетический обмен включает в себя анаэробное и аэробное окисление, и сегодня на уроке мы познакомимся с некоторыми анаэробными организмами и процессами, которые происходят в их клетках в ходе энергетического обмена.

Сообщение темы урока учителем, учащиеся ставят цель.

I этап: мотивационно-ориентировочный

Учитель: предлагаю вам вспомнить изученный ранее материал и выполнить следующее задание:

Найдите три ошибки в приведённом тексте «Бактерии». Укажите номера предложений, в которых сделаны ошибки, исправьте их. Дайте правильную формулировку.

1. В клетках прокариот отсутствует оформленное ядро. 2. Для бактерий, как и для всего живого, характерны обмен веществ и превращение энергии. 3. По типу питания их делят на автотрофов и гетеротрофов. 4. Все автотрофные бактерии синтезируют органические вещества из неорганических, используя энергию света. 5. Образование молекул АТФ у бактерий происходит в митохондриях. 6. Для всех бактерий характерен анаэробный тип обмена веществ.

А НАЭРОБЫ

Облигатные Факультативные

Есть два механизма, позволяющие клеткам окислять органические субстраты и синтезировать АТФ в отсутствие кислорода: анаэробное дыхание и брожение. Различие между ними состоит в том, что при анаэробном дыхании электрон-транспортная цепь используется, а при брожении – нет.

Анаэробное дыхание используется некоторыми прокариотами, живущими в бескислородной среде. У этих организмов есть ЭТЦ, конечным акцептором в которой является не кислород, а другое соединение. Например, некоторые «сульфатредуцирующие» морские бактерии используют остаток серной кислоты SO₄^2- в качестве конечного акцептора, в качестве побочного продукта образуется сероводород H₂S (запах тухлых яиц, который вы можете почувствовать, проходя по солёному болоту или по литорали, говорит о присутствии сульфатредуцирующих бактерий); денитрифицирующие бактерии в качестве конечного акцептора используют остаток азотной кислоты NO₃^-, превращая его в побочный продукт – молекулярный азот N₂, что играет важнейшую роль в круговороте азота.

Брожение – процесс получения химической энергии без использования какой бы то ни было ЭТЦ. Каким образом можно окислить пищу без клеточного дыхания? Вспомните, что окисление – всего лишь потеря электронов, которые передаются на какой-либо акцептор, т.е. без кислорода можно обойтись.

В гликолизе молекула глюкозы окисляется до двух молекул ПВК (пирувата). Окислитель в гликолизе - НАД⁺, и для этого процесса не нужна ни ЭТЦ, ни кислород. Часть выделяющейся при гликолизе энергии идёт на производство двух молекул АТФ (всегда!!) путём субстратного фосфорилирования. Если в клетке кислород присутствует, то с помощью окислительного фосфорилирования, когда НАД∙Н₂ передают электроны от глюкозы на ЭТЦ, синтезируются дополнительные молекулы АТФ.

Брожение является продолжение гликолиза, которое продолжает непрерывно фосфорилировать АТФ на его субстратном уровне. Чтобы это могло произойти, количество НАД⁺ должно быть достаточным для того, чтобы принимать электроны на этапе гликолиза. Без механизма восполнения запаса НАД⁺ за счёт НАД∙Н₂ гликолиз вскоре исчерпает запас НАД⁺ и прекратится из-за отсутствия окислителя. В аэробных условиях НАД⁺ получается из НАД∙Н₂ в ходе переноса электронов по ЭТЦ. В анаэробных условиях альтернативой служит перенос электронов с НАД∙Н₂ на ПВК.

В зависимости от набора ферментов в клетке, а, следовательно, и от конечного продукта реакции выделяют несколько видов брожения. Давайте немного познакомимся с некоторыми из них: молочнокислое, маслянокислое, спиртовое.

II этап: операционно-исполнительский:

1. Групповая работа учащихся: (три группы выполняют одинаковые задания – работают с научным текстом и готовят краткий информационный доклад по теме; кроме того, у каждой группы имеется дополнительное задание – исследовательская работа или решение познавательной задачи; результаты докладывает любой член группы).

1 группа

МОЛОЧНОКИСЛОЕ БРОЖЕНИЕ

1. Молочнокислое брожение — вид брожения, конечным продуктом при котором выступает молочная кислота (ФЕРМЕНТ – ЛАКТАТДЕГИДРОГЕНАЗА):

ПВК молочная кислота

2. Этот процесс происходит под действием молочнокислых бактерий, которые с помощью ферментов сбраживают молочный сахар (лактозу). Это неподвижные, неспорообразующие бактерии, по отношению к кислороду являются факультативными анаэробами. Клетки молочнокислых бактерий имеют шаровидную или палочковидную форму: это молочнокислый стрептококк, термофильный стрептококк, болгарская палочка, ацидофильная палочка, а также бифидобактерии.

3. Молочнокислые бактерии играют ведущую роль в приготовлении кисломолочных продуктов: биойогуртов, ацидофилина, простокваши и др., с помощью них получают квашеную капусту, силос. Молочнокислые пробиотические бактерии применяются в медицине для профилактики и лечения острых и хронических заболеваний кишечника, дыхательных путей, для восстановления кишечной микрофлоры и стимуляции иммунитета.

4. Мышечные клетки человека тоже способны производить АТФ путём молочнокислого брожения в условиях нехватки кислорода. Это происходит при интенсивных физических нагрузках, когда катаболизм сахаров для производства АТФ опережает поступление в клетки кислорода из крови. Считается, что именно накопление молочной кислоты в мышцах вызывает чувство усталости и боли в мышцах.

5. Выполните лабораторное исследование биойогурта с целью обнаружения в нём молочнокислых бактерий.

Последовательность этапов: бактериологическую петлю вносят в сгусток и, повернув ее вокруг оси, извлекают, прикоснувшись ею и к пленке. Сгусток размазывают на предметном стекле очень тонким слоем без воды. Сушат на пламени спиртовки. Фиксированный препарат окрашивают, заливая метиленовым синим на 2-3 минуты, промывают водой, высушивают салфеткой и микроскопируют при большом увеличении.

2 группа

СПИРТОВОЕ БРОЖЕНИЕ

1. Спиртовое брожение - вид брожения, при котором углеводы, преимущественно глюкоза, преобразуются в молекулы этанола и углекислого газа (ФЕРМЕНТЫ – ПИРУВАТДЕКАРБОКСИЛАЗА И АЛКОГОЛЬДЕГИДРОГЕНАЗА):

2. Среди прокариот этот тип брожения распространён не очень широко; наиболее часто встречается в группе дрожжей. Дрожжи - эукариотические организмы и аэробы, но в анаэробных условиях брожение идет наиболее эффективно. Если добавить кислород, то брожение ослабнет. Этот эффект был обнаружен Л.Пастером при исследовании вина и пива. Он же изобрел способ остановки превращения спирта в уксус уксуснокислыми бактериями – пастеризацию (нагревание вина или пива до 65-70°С). При этом бактерии гибнут, и уксус не образуется. Также эти микроскопические грибы используются в хлебопечении, так как одним из продуктов спиртового брожения является углекислый газ, который делает тесто пористым и рыхлым.

3. Спиртовое брожение происходит у хвойных растений зимой, когда устьица хвои закупориваются смолой, и газообмен с внешней средой прекращается.

4. Выполните задание:

3 группа

МАСЛЯНОКИСЛОЕ БРОЖЕНИЕ

1. Маслянокислое брожение — тип брожения, основным конечным продуктом которого является масляная кислота (ФЕРМЕНТ – КАРБОЛИГАЗА):

2. Маслянокислое брожение проходит в строго анаэробных условиях и осуществляется бактериями рода Клостридиум (Clostridium). Это крупные, подвижные палочки, образующие устойчивые споры, при образовании которых клетка приобретает форму веретена или теннисной ракетки.

3. В природных условиях маслянокислое брожение играет роль в разрушении растительных остатков, богатых углеводами, — в почве, на дне рек, болот. К маслянокислым бактериям относится возбудитель ботулизма - Clostridium botulinum. 

Являясь строгими анаэробами, они развиваются обычно внутри крупных кусков ветчины, рыбы, колбас, сыров, а также в герметично закрытых консервах. При попадании в них спор ботулинуса консервы становятся бомбажными, т.к. возбудитель ботулизма продуцирует углекислый газ и водород, вздувающие крышки банок. Ботулинистический токсин, вырабатываемый данными микроорганизмами, поражает нервную систему человека, особенно дыхательный центр, поэтому первыми симптомами ботулизма является "двоение" и "сетка" в глазах, затруднение дыхания. При первых признаках ботулизма человека необходимо срочно доставить в больницу, так как в наиболее тяжелых случаях приходится прибегать к искусственной вентиляции легких.

4. Несмотря на высокую токсичность, всё популярнее становится использование ботулинистического токсина в косметологии – инъекции ботокс: с инъекцией он попадает в мышцу, блокируя передачу нервных импульсов в ней. В итоге мышца расслабляется, останавливается ее сокращение и как результат кожа, прилегающая к ней, разглаживается.

5. Выполните задание:

Бактерий поместили в растворы, состав которых благоприятен для их жизнедеятельности, и перемешали. Через некоторое время бактерии в пробирках перераспределились. В пробирке 1 находятся аэробы, а в пробирке 2 — анаэробы. Какие бактерии находятся в пробирке 3? Почему основная часть бактерий в пробирке 3 стремится к поверхности раствора, при этом такие бактерии могут быть найдены на всём протяжении среды? Ответ поясните.

Решение:
1) факультативные анаэробы;
2) собираются в основном на поверхности раствора, так как там больше кислорода;
3) кислород используется факультативными анаэробами для осуществления дыхания (окислительного фосфорилирования);
4) окислительное фосфорилирование является более энергетически выгодным, чем гликолиз (брожение);
5) бактерии могут быть найдены на всём протяжении среды, так как могут осуществлять анаэробный (бескислородный) обмен.

III этап: оценочно-рефлексивный:

Учитель предлагает учащимся выполнить лабораторную работу «Сравнение КПД процессов брожения» в рабочих листах:

Рассчитайте энергетическую эффективность двух типов брожения глюкозы по формуле: Эффективность= E(запасенная)\Е(общая) ∙100%.

Данные для расчёта:

Спиртовое брожение Еобщ.=150 кДж\моль.

Молочнокислое брожение Еобщ.=210 кДж\моль.

Энергия запасенная в 1 моль АТФ, составляет 30,6 кДж\моль.

При расчете учтите количество образующихся молекул АТФ в анаэробных условиях. Сделайте вывод об эффективности двух типов брожения.

Учащиеся отвечают на вопрос:

Пригодятся ли тебе знания, полученные сегодня на уроке, в жизни? Если да, то где по твоему мнению?

Домашнее задание: работа с материалами урока; подготовить письменные сообщения о других видах брожения (уксуснокислое, пропиленгликолевое, бутиленгликолевое по плану урока и т.д.); дать сравнительную характеристику процессов брожения и аэробного дыхания в табличной форме.