Конспект урока по биологии Фотосинтез. Особенности метаболизма в растительной клетке. (10 класс)

Фотосинтез.
Особенности метаболизма в растительной клетке.
(Урок биологии в 10 классе).
Тип урока: комплексного применения знаний в форме ролевой игры (урок-исследование).
Цели:
1. Сформировать знания о процессе фотосинтеза на органном, тканевом, клеточном, субклеточном и молекулярном уровнях организации жизни.2. Продолжить формирование знаний об эволюции метаболизма, взаимосвязи анаболических и катаболических процессов в растительной клетке.
3. Продолжить патриотическое воспитание, отметив заслуги К.А. Тимирязева, А.П. Виноградова в изучении процесса фотосинтеза; воспитание бережного отношения к биосфере.
Оборудование: - таблицы «Фотосинтез», «Строение молекулы хлорофилла», «Модель световых реакций», «Внутреннее строение листа», «Строение хлоропласта», «Окислительное фосфорилирование»;
-дидактический материал: таблицы «Классификация живых организмов в соответствии с основными источниками углерода и энергии», «Главные фотосинтетические пигменты, их цвет и распространение»;
- демонстрационный эксперимент: обесцвеченные в кипящем спирте листья комнатных растений, ветки элодеи в сосуде с водой, настольная лампа, спиртовая вытяжка хлорофилла;
- презентация.
Ход урока.
Организационный этап.
Актуализация темы занятия.
Учитель: На сегодняшнем уроке мы с вами продолжим разговор о метаболизме. Как вы знаете, жизнь на Земле зависит от потока энергии, образующейся в результате термоядерных реакций, идущих в недрах солнца.
Около 1/3 этой энергии отражается в космическое пространство в виде света. Из оставшихся 2/3 большая часть поглощается Землей и превращается в тепло (часть идет на испарение воды в морях, океанах и т.д.).Менее 1% солнечной энергии, достигающей Земли, преобразуется клетками растений и других фотосинтезирующих организмов и обеспечивает все процессы жизнедеятельности прокариот и эукариот.
-О каком процессе идет речь?
Ученики: О процессе фотосинтеза.
Учитель: Живые системы переводят энергию солнца в химическую, световую, тепловую и другие виды энергии. Итак, мы говорим об энергообмене, а это является составной частью термодинамики.
- Вспомните 1-й закон термодинамики (закон сохранения энергии).
Ученики: Энергия не образуется и не исчезает, но может превращаться из одной формы в другую.
Учитель: Подчиняется ли клетка законам термодинамики? Какую работу она может совершать?
На эти и другие вопросы мы постараемся ответить на сегодняшнем уроке (записывают тему).
Цель: познакомиться с особенностями метаболизма в растительной клетке.
Наш класс на время урока превращается в исследовательский центр, где будет работать несколько кафедр: физики, биохимии, ботаники, экологии, истории.
Сотрудники кафедр проводили свои исследования и собрали материал, который поможет нам достичь поставленной цели.
Изучение нового материала.
План.
Определение фотосинтеза (беседа).
Фотосинтез (греч. «фотос» - свет, «синтез» - соединение) – синтез сложных органических веществ из неорганических с использованием энергии света.
Учитель: Вспомните суммарное уравнение фотосинтеза.
6СО2+ 6Н2О hν С6Н12О6+6О2↑
Вы видите, что световая энергия превращается в химическую, а углерод фиксируется в виде органических соединений.
История вопроса.
Учитель: Какова история открытия фотосинтеза?
Выступление кафедры истории (презентация).
Ян Ван Гельмонт (гол.) –XVII в. поставил под сомнение идею почвенного питания.
Джозеф Пристли (анг.) – 1771г. открытие фотосинтеза.
Ян Ингенхауз (гол.) – 1796г. воздух «очищается» на свету и только зелеными растениями.
Ж.Сенебье (швейц.) – 1782г., Т. Сосюр (швейц.) – 1804г. идея углеродного питания растения.
В. Пфеффер (нем.) – 1877г. предложил термин «фотосинтез».
К.А. Тимирязев – 60 –ег.г. XIX в. «Солнце, жизнь и хлорофилл».
А.П. Виноградов - установил, что Н2О поставляет О2 в атмосферу, а не СО2, как считали раньше.
Ф.Блэкмен (анг.) – 1905г. 2 фазы фотосинтеза: световая и темновая.
М. Кальвин (амер.) – 1946-1953г.г. – темновая фаза фотосинтеза.
Д. Арнон (амер.) – 1957г.- нециклическое фотофосфорилирование.
Такова история открытия и исследования процесса фотосинтеза.
Учитель: Давайте рассмотрим этот процесс на различных уровнях организации жизни.
Строение листа.
Учитель: В каких органах растений может происходить фотосинтез?
Ученики: Фотосинтезируют все зеленые части растения, но главный фотосинтезирующий орган высших растений – лист.
Учитель: Докажите, что строение листа и его функции тесно взаимосвязаны.
Выступление кафедры ботаники (презентация).
орган
↓ткань
↓ клетка
Рассмотрим внутренне строение листа двудольного растения:
верхняя и нижняя эпидерма (клетки прозрачны, хл-л в замыкающих клетках устьиц);
палисадная (столбчатая) ткань мезофилла;
губчатая ткань мезофилла; фотосинтез!

проводящая ткань:
а) ксилема (сосуды) ←в лист Н2О и минеральные соли;
б) флоэма (ситовидные трубки) → отток продуктов фотосинтеза (вспомнить листовую мозаику, фототропизм).
Учитель: У эукариот фотосинтез происходит в хлоропластах.
Важнейшую роль в процессе фотосинтеза играют фотосинтезирующие пигменты: фикобилины, каротиноиды, хлорофиллы (работа с дидактическим материалом).
Выступление кафедры биохимии (презентация).
Основным пигментом, участвующим в фотосинтезе у высших растений, является хлорофилл (греч. «хлорос» - зеленый, «филон» - лист).
Давайте рассмотрим строение молекулы хлорофилла .Для хлорофилла характерно наличие порфиринового кольца. Порфиринновое кольцо – плоская квадратная структура, содержащая атомы N с Mg. К такой «голове» присоединен длинный углеводородный «хвост» (С20Н39),соединенный с «головой» сложноэфирной связью со спиртом (фитолом).
Учитель: Какой спектр солнечного света поглощает молекула хлорофилла?
Выступление кафедры физики (презентация).
Хлорофиллы поглощают главным образом красный и сине-фиолетовый свет. Зеленый свет они отражают и потому придают растениям характерную зеленую окраску (К.А. Тимирязев).
Фотосистемы (ФС).
Учитель: Итак, в хлоропластах молекулы флорофиллов и других пигментов «погружены» в мембрану тилакоида и связаны с белками. Они собраны в группы – функциональные системы, которые называются фотосистемами (ФС). Каждая фотосистема содержит 200-400 молекул пигментов.
Все пигменты фотосистемы могут поглощать фотоны (кванты света), но только 1 молекула хлорофилла данной ФС может использовать поглощенную энергию в фотохимических реакциях. Эта молекула называется реакционным центром ФС, а другие молекулы выполняют роль антенн, собирая солнечный свет.
Существуют 2 фотосистемы: ФС –I и ФС - II, они работают синхронно и непрерывно.
Процесс фотосинтеза состоит из 2-х фаз: световой и темновой. Это впервые определил Ф. Блэкмен (анг.) в 1905г.
Световая фаза фотосинтеза.
Учитель: Как было сказано выше, участвуют две фотосистемы - ФС –I и ФС – II.
Когда реакционный центр (Р 700) ФС – I поглощает квант света, е поднимается на более высокий энергетический уровень молекулы хлорофилла и по цепи переносчиков е (ферредоксин, редуктаза ферредоксина) переносятся на молекулу – акцептора е НАДФ+, восстанавливая его до НАДФ ∙ Н.
хл0hνхл++еОбразовавшаяся в молекуле хлорофилла электронная «дырка» действует как сильный окислитель.
- Где взять недостающий е?ФС – II поставляет е в «дыру» ФС – I. Под действием света е хлорофилла (реакционный центр Р 680) переходит в возбужденное состояние и по цепи переносчиков (пластохинон, цитохромы, пластоцианин) спускается вниз в «дырку» ФС – I. При этом освобождается энергия (когдае«спускается»), которая идет на синтез АТФ (фотофосфорилирование).
АДФ + Ф → АТФ
«Дырка», возникшая в ФС-II, заполняется е, которая образуется при фотолизе воды.
Фотолиз (греч. «фотос» - свет, «лизис» - расщеплять) - разложение воды под действием энергии света.
2Н2Оhν4Н++ 4е + О2↑ (А.П. Виноградов).
Образовавшиеся е переносятся не только в ФС – II , но и на внешнюю сторону мембраны тилакоида.
Н+ не способны к диффузии через мембрану и концентрируются в тилакоидном пространстве, то есть на внутренней стороне мембраны тилакоида.
По мере накопления по обеим сторонам мембраны противоположно заряженных частиц, нарастает разность потенциалов. Когда величина протонного потенциала достигает критического уровня (200мВ), сила электрического поля проталкивает протоны через канал АТФ – синтетазы (фермент). Освобождающаяся энергия тратится на синтез АТФ из АДФ (фотофосфорилирование).
Протоны восстанавливают акцепторы.
НАДФ++ 2е + Н+ → НАДФ ∙ Н (на наружной стороне мембраны тилакоида).
Учитель: Итак, в результате чего образуется АТФ при фотосинтезе?
Ученики: а) при потере энергии электроном,
б) в момент прохождения протонов через канал АТФ – синтетазы.
Суммарный результат световой фазы:
1)синтез АТФ (количество варьирует, но может образоваться 12 АТФ);
2)накопление восстановительных эквивалентов – НАДФ∙ Н;
3) фотолиз (О2 выделяется в атмосферу). богатые энергией (запасается 95%энергии поглощенного света)
Учитель: Мы рассмотрели однонаправленный поток е(нециклический, у растений), т.е. на свету е перемещаются от воды к ФС – I , ФС – II и НАДФ+. Образование АТФ, которое при этом происходит, называется фотофосфорилированием (Н2О – донор е, Н+; источник энергии - свет). Более примитивный путь – циклический (у бактерий) – когда переносчики возвращают е назад в реакционный центр.
6. Темновая фаза фотосинтеза.
Учитель: Темновая фаза фотосинтеза происходит в строме хлоропласта, свет не нужен.
Все процессы биосинтеза в клетке требуют энергии.
Цель темновой фазы – восстановление СО2 до углеводов за счет энергии АТФ и НАДФ ∙ Н. Это ферментные реакции.
Последовательность этих реакций была определена в США в 1946-1953г.г. американским биохимиком М. Кальвином совместно с другими учеными (1961г.-Нобелевская премия).
Цикл Кальвина. К молекулам субстрата присоединяется СО2 и они восстанавливаются за счет НАДФ ∙ Н. Цикл Кальвина аналогичен циклу Кребса, так как в конце происходит регенерация исходного соединения.
Такие метаболические пути (циклические) эффективны по следующим причинам:
- мало накапливается ненужных продуктов;
- реакции обратимы;
-ферменты, участвующие в общих метаболических путях, могут объединяться внутри клетки (например, на мембранах крист или тилакоидов).
СО2 поступает через устьица. Он фиксируется молекулами акцептора – пятиуглеродного сахара 1,5 рибулозобифосфата (РБФ). Затем это соединение расщепляется на 2 молекулы фосфоглицериновой кислоты (ФГК)- первый продукт фотосинтеза.
РБФ + СО2+ Н2О →2 ФГК
Дальнейшее восстановление ФГК требует участия АТФ и НАДФ ∙ Н; в конечном итоге через ряд промежуточных продуктов образуются углеводы (триозы→гексозы, рибулозомонофосфат, рибулозомонофосфат фосфорилируется АТФ до рибулозобифосфата, который вновь поступает в цикл Кальвина, моно-ди, полисахариды) а также другие органические вещества.
СО2↓1,5-РБФ (С5)
↓2ФГК (С3) АТФ; НАДФ ∙ Н
↓моно (триозы, гексозы)
↓ди-
↓полисахариды
Общее уравнение темновой фазы:
6СО2+12 НАДФ ∙ Н+12Н++18АТФ →С6Н12О6+6Н2О+12НАДФ++18АДФ+18Ф
В течение каждого оборота цикла 1 молекула СО2 восстанавливается, а молекула РБФ – регенерируется. Необходимо совершить 6 оборотов цикла с поглощением 6-ти атомов С, чтобы образовался шестиуглеродный углевод – глюкоза. Затем глюкоза превращается в крахмал. Днем крахмал накапливается в пластидах, а ночью превращается в сахар, который оттекает из листьев по флоэме ко всем органам и здесь откладывается в запас в виде крахмала.
Итог. В темновую фазу фотосинтеза происходит восстановление СО2 до С6Н12О6 , реакции идут с поглощением энергии (АТФ; НАДФ ∙ Н).
Демонстрационный эксперимент кафедры ботаники.
Демонстрируют опыт, доказывающий, что в листьях растений в процессе фотосинтеза образуется крахмал.
7.Значение фотосинтеза. Управление фотосинтезом.
Учитель: Каково значение фотосинтеза? Можно ли им управлять?
Выступление кафедры экологии (презентация).
Значение
Питание (образуется приблизительно 150 млрд.т органических веществ в год).
Постоянство СО2 в атмосфере (ежегодно связывается 260млрд. т СО2) следовательно, зеленые растения регулируют парниковый эффект.
Накопление О2 , следовательно, обеспечение аэробного дыхания, формирование озонового экрана.
Управление
Создание высокоурожайных сортов растений.
Внесение минеральных удобрений (N, P,K,Mg, Fe, Zn,Cu)
Рациональное географическое размещение растений.
Борьба с болезнями (целостность хлоропластов).
В парниках, теплицах:
- необходимая освещенность;
-t (20-250С).
-высокая концентрация СО2 до 0,1-0,3 % ( в атмосфере 0,03%).
Применение - для получения Н2, О2 (так как световая фаза может протекать в пробирке).
Учитель:Подчиняется ли процесс фотосинтеза 1-му закону термодинамики?
(ученики отвечают)
Учитель: Фотосинтез - уникальный процесс, который обеспечивает жизнь на нашей планете. К.А. Тимирязев образно о нем говорил следующее: «Дайте самому лучшему повару сколько угодно солнечного света и целую речку чистой воды и попросите, чтобы из всего этого он приготовил вам сахар, крахмал… - он решит, что вы над ним смеетесь. Но то, что кажется совершенно фантастическим человеку, беспрестанно совершается в зеленных листьях растений».
Демонстрация ветки элодеи в сосуде с водой: посмотрите на ветку элодеи, вы видите, как ее клетки непрерывно трудятся, образуя крахмал и выделяя кислород. Лист – вот та лаборатория, где энергия света превращается в энергию химических связей.
Итак, мы рассмотрели особенности метаболизма растительной клетки на молекулярном →субклеточном →клеточном →тканевом →органном →организменном уровнях.
-Как это выглядит на самом высоком уровне – биосферном?
(обсуждение роли фотосинтеза в эволюции метаболизма).
Учитель: Фотосинтезирующие организмы возникли 3-3,5 млрд. лет назад (цианобактерии →сине-зеленые водоросли) .Эволюция метаболизма шла в следующем направлении:
а)питание: от гетеротрофного к автотрофному;
б) дыхание: от анаэробного к аэробному, более эффективному;
в)озоновый экран (2,2млрд. лет назад) – обеспечил выход растений и животных на сушу.
-Как это отразилось на биосфере?
Это вызвало к жизни многочисленные новые формы живых организмов и более широкое использование ими окружающей среды.
Биосфера – это геологическая оболочка Земли, населенная живыми организмами.
Биосфера – открытая система, она получает энергию извне, в ней постоянно осуществляется обмен веществ и энергии, то есть происходит постоянное перераспределение вещества и энергии. Это называется большим кругом биотического обмена. Нарушение этого процесса может привести к гибели биосферы.
Раскрыв значение фотосинтеза, мы можем однозначно сказать, что фотосинтез направлен на поддержание гомеостаза биосферы.
Закрепление изученного материала.
Сравнение процессов фотосинтеза и дыхания (фронтальная беседа).
Учитель: Сравните процессы дыхания и фотосинтеза.
(ученики сравнивают).
Сходство
1. Происходит образование АТФ (фосфорилирование). Для этого нужна Е. При дыхании она освобождается при окислении органических веществ (субстрата), следовательно, окислительное фосфорилирование; а при фотосинтезе (световая фаза) источник Е – свет, следовательно, фотофосфорилирование.
2. Процессы сопряжены с переносом е, Н+ в мембранах. Аналогичные переносчики участвуют в 2-х процессах: НАД+ и НАДФ+ (очень близки по строению).
3. Митохондрии и пластиды –двумембранные органоиды. В этих процессах участвуют внутренние мембраны.
Различие.
Фотосинтез
Источник Е - свет, для образования АТФ.
Е АТФ идет на синтез орг. веществ.
Поглощается : СО2Выделяется: О2Дыхание
Источник Е - орг. вещества
Е АТФ идет на обеспечение жизнедеятельности клетки
О2СО2 V. Выставление отметок. VI.Домашнее задание: аргументированно доказать, что процесс фотосинтеза обусловил возникновение процесса аэробного дыхания.