Методическая разработка по биологии Обмен веществ в клетке. Энергетический обмен

ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕНОВОСИБИРСКОЙ ОБЛАСТИ «БАРАБИНСКИЙ МЕДИЦИНСКИЙ КОЛЛЕДЖ»
МЕТОДИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА
ТЕОРЕТИЧЕСКОГО ЗАНЯТИЯ ДЛЯ ПРЕПОДАВАТЕЛЯ
Специальность 34.02.01 Сестринское дело базовой подготовки
Дисциплина «Биология»
Раздел 3. Учение о клетке. Состав клетки, строение, деление, обмен веществ
Тема 3.10. Обмен веществ и энергии в клетке. Энергетический обмен
2016
Одобрена на заседании цикловой
методической комиссии
Протокол № ______ от _________
Председатель_______________________
Автор: Дъячук Л.В. – преподаватель высшей квалификационной категории
Содержание
1. Методический лист …………………………………………………….. 4
2. Примерная хронокарта занятия ……………………………………….. 7
3. Исходный материал ……………………………………………………. 8
4. Приложение 1 ……………………………………………………… 13
5. Приложение 2 ……………………………………………………… 14
6. Приложение 3.……………… …………………………………….. 15
7. Приложение 4 …………………………………………………. ….. 16
8. Список использованных источников …………………………………17
МЕТОДИЧЕСКИЙ ЛИСТ
Вид занятия – комбинированный урок
Продолжительность – 90 мин.
ЦЕЛИ ЗАНЯТИЯ
1. Учебные цели:
- сформировать знания об этапах энергетического обмена – подготовительном, кислородном и бескислородном, сущности энергетического обмена.
2. Развивающие цели:
- продолжить формирование умений устанавливать взаимосвязи, сравнивать, анализировать, делать выводы на основе сравнения энергетического и пластического обменов веществ, осуществлять самостоятельный поиск информации в различных источниках, организовывать собственную деятельность, необходимую для выполнения профессиональных задач, использовать ИКТ.
3. Воспитательные цели:
- создавать содержательные и организационные условия для развития самостоятельности в добывании студентами знаний, скорости восприятия и переработки информации, культуры речи, воспитании настойчивости в достижении цели.
МОТИВАЦИЯ
Любой живой организм, как и отдельная клетка, является открытой системой, т.е. обменивается с окружающей средой веществами и энергией. Любое проявление жизнедеятельности нуждается (поглощение воды и растворённых в ней неорганических соединений, синтез органических веществ, расщепление полимеров на мономеры, генерация тепла, движение) нуждается в затрате энергии.
Органические вещества, поступающие в клетку, служат для неё, во-первых, строительным материалом для биосинтеза новых клеточных компонентов или замены старых; во-вторых, источником химической энергии. При расщеплении питательных веществ высвобождается энергия. Клетка использует её для поддержания своих жизненных процессов. Энергия в различных участках клеток переходит из одной формы в другую, выделяется постепенно, порциями. Каждая форма энергии служит для выполнения определённой работы, такой как биосинтез веществ, механическая работа, клеточное деление, активный транспорт, осмос, мышечное сокращение, поддержание постоянной температуры.
Изучение данной темы позволит будущим медицинским работникам понять особенности обмена веществ и энергии в организме человека, использовать полученные знания при составлении рациона питания для людей разных профессий, в пропаганде знаний о пользе правильного питания.
Методы обучения – объяснительно-иллюстративный, репродуктивный, частично – поисковый, использование ИКТ.
Место проведения занятия – кабинет биологии, анатомии и генетики
человека с основами медицинской генетики.
Выписка из рабочей программыдисциплины «Биология» для специальности
34.02.01 Сестринское дело базовой подготовки
Тема 3.10.
Обмен веществ и энергии в клетке. Энергетический обмен Содержание учебного материала 2 Этапы энергетического обмена. Сущность энергетического обмена. Формирование умения устанавливать взаимосвязи пластического и энергетического обмена, сравнивать пластический и энергетический обмен и делать выводы на основе сравнения. Организация собственной деятельности при составлении плана и конспекта ответа по теме « Этапы энергетического обмена» 1,2
Лабораторные работы - Практические занятия - Контрольные работы - Самостоятельная работа обучающихся: составление плана и конспекта по теме [1, с.76 - 91]; [2, с.44 - 55] 1 ПРИМЕРНАЯ ХРОНОКАРТА ЗАНЯТИЯ
п/№ Наименование этапа Время Цель этапа Деятельность Оснащение
преподавателя студентов -1- -2- -3- -4- -5- -6- -7-
Организационный этап 3 мин. Организация начала занятия, подготовка рабочего места студентов Отмечает отсутствующих студентов в журнале Староста называет отсутствующих студентов. Студенты приводят в соответствие внешний вид, готовят рабочие места. Журнал, тетради
Контроль знаний по предыдущей теме 20 мин. Оценка уровня сформированности знаний по теме «Обмен энергии и веществ в клетке. Пластический обмен» Инструктирует и проводит контроль Индивидуальный опрос Приложение 1
контрольные вопросы.
Мотивационный этап 2 мин. Развитие интереса к новой теме Объясняет студентам важность изучения данной темы Слушают, задают вопросы Методическая разработка теоретического занятия
Цели занятия 2 мин Установка приоритетов при изучении темы Озвучивает цели занятия Слушают, записывают в тетрадь новую тему Методическая разработка теоретического занятия, презентация
Изложение исходной информации 42 мин. Формирование знаний об этапах энергетического обмена – подготовительном, кислородном и бескислородном, сущности энергетического обмена. Излагает новый материал Слушают, записывают Выполнение заданий для закрепления знаний 10 мин. Закрепление знаний, формирование умений устанавливать взаимосвязи, сравнивать, анализировать, делать выводы на основе сравнения энергетического и пластического обменов веществ, осуществлять самостоятельный поиск информации в различных источниках, организовывать собственную деятельность, необходимую для выполнения профессиональных задач, использовать ИКТ.
Инструктирует и контролирует выполнение заданий, обсуждает правильность ответов Выполняют задания, слушают правильные ответы, после выполнения, вносят коррективы Приложение 2
Задания для самостоятельной работы
Предварительный контроль новых знаний и проверка 11 мин. Оценка эффективности занятия и выявление недостатков в новых знаниях, воспитание настойчивости в достижении цели Инструктирует и проводит контроль Выполняют задания Приложение 3
Задание для самостоятельной внеаудиторной работы студентов 1 мин. Формирование и закрепление знаний, развитие умения работать с учебной литературой и дополнительной при составлении плана и конспекта по новой теме Дает задание для самостоятельной внеаудиторной работы студентов, инструктирует Записывают задание Приложение 4
Исходный материал
Главным условием жизни как организма в целом, так и отдельной клетки является обмен веществ и энергии с окружающей средой.
Для поддержания сложной динамической структуры живой клетки требуется непрерывная затрата энергии. Кроме того, энергия необходима и для осуществления большинства функций клетки (поглощение веществ, двигательные реакции, биосинтез жизненно важных соединений).
Источником энергии в этих случаях служит расщепление органических веществ в клетке. Совокупность реакций расщепления высокомолекулярных соединений называется энергетическим обменом, или диссимиляцией.
Запас органических веществ, расходуемых в процессе диссимиляции, должен непрерывно пополняться либо за счет пищи, как это происходит у животных, либо путем синтеза из неорганических веществ при использовании энергии света (у растений). Приток органических веществ необходим также для построения органоидов клетки и для создания новых клеток при делении. Совокупность всех процессов биосинтеза называется пластическим обменом, или ассимиляцией.
Обмен веществ включает многочисленные физические и химические реакции, объединенные в пространстве и времени в единое упорядоченное целое. В такой сложной системе упорядоченность может достигаться только при участии эффективных механизмов регуляции.
Ведущую роль в регуляции играют ферменты, определяющие скорость биохимической реакции.
Основная роль в обмене веществ принадлежит плазматической мембране, которая в силу избирательной проницаемости обусловливает осмотические свойства клетки.
Все клетки и организмы можно разделить на два основных класса в зависимости от того, каким источником энергии они пользуются. У первых, называемых аутотрофными (зеленые растения), СО2 и Н2О превращаются в процессе фотосинтеза в элементарные органические молекулы глюкозы, из которых и строятся затем более сложные молекулы.
Клетки второго класса, называемые гетеротрофными (животные клетки), получают энергию из различных питательных веществ (углеводов, жиров и белков), синтезируемых аутотрофными организмами. Энергия, содержащаяся в этих органических молекулах, освобождается главным образом в результате соединения их с кислородом воздуха (т.е. окисления) в процессе, называемом аэробным дыханием. Этот энергетический цикл у гетеротрофных организмов завершается выделением СО2 и Н2О.
Клеточное дыхание— это окисление органических веществ, приводящее к получению химической энергии (АТФ). Большинство клеток использует в первую очередь углеводы. Полисахариды вовлекаются в процесс дыхания лишь после того, как они будут гидролизованы до моносхаридов: крахмал, глюкоза (у растений), гликоген (у животных).
Жиры составляют «первый резерв» и пускаются в дело главным образом тогда, когда запас углеводов исчерпан. Однако в клетках скелетных мышц при наличии глюкозы и жирных кислот предпочтение отдается жирным кислотам. Поскольку белки выполняют ряд других важных функций, они используются лишь после того, как будут израсходованы все запасы углеводов и жиров, например, при длительном голодании.
Этапы энергетического обмена:
Единый процесс энергетического обмена можно условно разделить на три последовательных этапа:
Первый из них — подготовительный. На этом этапе высокомолекулярные органические вещества в цитоплазме под действием соответствующих ферментов расщепляются на мелкие молекулы: белки — на аминокислоты, полисахариды (крахмал, гликоген) — на моносахариды (глюкозу), жиры — на глицерин и жирные кислоты, нуклеиновые кислоты — на нуклеотиды и т.д. На этом этапе выделяется небольшое количество энергии, которая рассеивается в виде тепла.
Белки + Н2О=аминокислота + тепло (рассеивается )Жиры + Н2О = глицерин + жирные кислоты + тепло
Полисахариды + Н2О = глюкоза + тепло
Второй этап — бескислородный, или неполный. Образовавшиеся на подготовительном этапе вещества — глюкоза, аминокислоты и др. — подвергаются дальнейшему ферментативному распаду без доступа кислорода. Примером может служить ферментативное окисление глюкозы (гликолиз), которая является одним из основных источников энергии для всех живых клеток. Гликолиз — многоступенчатый процесс расщепления глюкозы в анаэробных (бескислородных) условиях до пировиноградной кислоты (ПВК), а затем до молочной, уксусной, масляной кислот или этилового спирта, происходящий в цитоплазме клетки. Глюкоза под воздействием ферментов расщепляется до двух молекул С3Н6О3 с выделением энергии. 60% этой энергии рассеивается в виде тепла, 40% в виде АТФ.
Третий этап – аэробный (кислородный, тканевое дыхание) протекает в митохондриях и требует присутствие кислорода.
Органические соединения, образовавшиеся на предыдущем бескислородном этапе, окисляются путем отщепления водорода до СО2 и Н2О. Отсоединившиеся атомы водорода с помощью переносчиков передаются до кислорода, взаимодействуют с ним и образуют воду. Этот процесс сопровождается выделением значительного количества энергии, часть которой (55%) идет на образование воды. В кислородном этапе можно выделить реакции цикла Кребса и реакции окислительного фосфорилирования.
Цикл Кребса (цикл трикарбоновых кислот) происходит в матриксе митохондрий. Его открыл английский биохимик Х. Кребс в 1937 году.
Цикл Кребса начинается реакцией пировиноградной кислоты с уксуснокислой. При этом образуется лимонная кислота, которая после ряда последовательных преобразований снова становится уксуснокислой и цикл повторяется.
В ходе реакций цикла Кребса из одной молекулы ПВК образуется 4 пары атомов водорода, две молекулы СО2, одна молекула АТФ. Углекислый газ выводится из клетки, а атомы водорода присоединяются к молекулам переносчиков – НАД и ФАД (флавинадениндинуклеотид), в результате чего образуются НАД·Н2 и ФАД·Н2.
Передача энергии от НАД· Н2 и ФАД·Н2, которые образовались в цикле Кребса и на предыдущем анаэробном этапе, к АТФ происходит на внутренней мембране митохондрий в дыхательной цепи.
Дыхательная цепь или цепь переноса электронов (электронно-транспортная цепь) содержится во внутренней мембране митохондрий. Её основу составляют переносчики электронов, которые входят в состав ферментных комплексов, катализирующих окислительно-восстановительные реакции.
Пары водорода отщепляются от НАД·Н2 и ФАД·Н2 в виде протонов и электронов (2Н++2е), поступают в электронно-транспортную цепь. В дыхательной цепи они вступают в ряд биохимических реакций, конечный результат которых – синтез АТФ.
Электроны и протоны захватываются молекулами переносчиков дыхательной цепи и переправляются: электроны на внутреннюю сторону мембраны, а протоны на внешнюю. Электроны соединяются с кислородом. Атомы кислорода при этом становятся отрицательно заряженными:
О2 + е- = О2-
На внешней стороне мембраны накапливаются протоны (Н+), а изнутри анионы (О2-). В результате этого возрастает разность потенциалов.
В некоторых местах мембраны встроены молекулы фермента для синтеза АТФ (АТФ-синтетаза), который имеет ионный (протонный) канал. Когда разница потенциалов на мембране достигает 200мВ, протоны (Н+) силой электрического поля проталкиваются через канал и проходят на внутреннюю сторону мембраны где взаимодействуют с О2-, образуя Н2О
½ О2 + 2Н+ = Н2О
Кислород, поступающий в митохондрии необходим для присоединения электронов (е-), а затем протонов (Н+). При отсутствии О2 процессы, связанные с транспортом протонов и электронов, прекращаются. В этих случаях многие клетки синтезируют АТФ, расщепляя питательные вещества в процессе брожения.
Суммарное уравнение кислородного этапа:
2С3Н4О3 + 36Н3РО4 + 6О2 + 36 АДФ = 6СО2 + 42 Н2О + 36АТФ + 2600кДж
1440 (40·36) кДж аккумулируется в АТФ
1160 кДж выделяются в виде тепла
Суммарное уравнение кислородного дыхания, включающее бескислородный и кислородный этапы:
С6Н12О6 + 38АДФ + 38Н3РО4 + 6О2 = 38АТФ +6СО2 + 44Н2О
Конечные продукты энергетического обмена (СО2, Н2О, NH3), а также избыток энергии выделяются из клетки через клеточную мембрану.
Приложение 1
Контрольные вопросы по теме «Обмен веществ и энергии в клетке. Пластический обмен»
Контрольные вопросы:
1) Как и в каких структурах происходит синтез белка?
2) Перечислите свойства генетического кода
3) Дайте определения ассимиляции и диссимиляции
4) Расскажите о фотосинтезе
5) В чём суть хемосинтеза?
Критерии оценки за устный опрос (контрольные вопросы):
Оценка "5" ставится, если обучающийся: показывает глубокое и полное знание и понимание материала; полное понимание сущности рассматриваемых понятий, явлений и закономерностей, теорий, взаимосвязей; умеет составить полный и правильный ответ; правильно и обстоятельно отвечает на дополнительные вопросы; допускает не более одного недочёта, который легко исправляет.
Оценка "4" ставится, если обучающийся: показывает знание всего изученного материала; даёт полный и правильный ответ; допускает незначительные ошибки и недочёты; небольшие неточности в формулировке понятий; материал излагает в логической последовательности, допуская негрубую ошибку или два недочёта, которые может исправить.
Оценка "3" ставится, если обучающийся: излагает материал фрагментарно; не всегда последовательно, допускает ошибки при формулировке выводов, ошибки при определении понятий; отвечает неполно на вопросы преподавателя.
Оценка "2" ставится, если обучающийся: не раскрывает основное содержание материала; не делает выводов и обобщений; допускает более двух грубых ошибок, которые не может исправить даже при помощи преподавателя.
Приложение 2
Задание для самостоятельной работы по новой теме
Заполните таблицу:
Этапы энергетического обмена
Этап Основные процессы Результаты этапа
Эталоны ответов:
Этапы энергетического обмена
Этап Основные процессы Результаты этапа
Подготовительный этап Сложные органические вещества распадаются до более простых. Углеводы → глюкоза;
Жиры → жирные кислоты+ глицерин;
Белки → аминокислоты. Образование небольшого количества энергии, которая рассеивается в виде тепла.
Бескислородный этап (гликолиз) Мономеры расщепляются без участия кислорода, реакции идут в несколько стадий с участием ферментов с выделением энергии АТФ. Гликолиз происходит в цитоплазме Глюкоза превращается в пировиноградную кислоту, выделяется энергия, 60% которой рассеивается в виде тепла, а 40% идет на синтез АТФ (2 молекулы из одной молекулы глюкозы), вода и атомы водорода, запасающиеся клеткой в форме никатинамидадениндинуклеотида (НАД*Н)
Аэробное дыхание, кислородное расщепление ПВК соединяется с коферментом А и превращается в ацетилкофермент А, который соединяется с щавелево-уксусной кислотой и превращается в лимонную кислоту, через ряд последовательных реакций снова образуется щавелево-уксусная кислота для нового цикла, выделяется углекислый газ и образуется водород
Н-е→Н+
О2+е→О2-
Н2+ О2→Н2О Образуется вода, 36 молекул АТФ. В результате расщепления одной молекулы глюкозы образуется 38 молекул АТФ: на втором этапе неполного окисления – 2 молекулы АТФ и на третьем этапе полного окисления – 36 молекул АТФ. Процесс дыхания более выгоден, чем процесс гликолиза.
Приложение 3
Задание для предварительного контроля знаний
Вставьте пропущенные слова:
1) Реакции пластического обмена идут с ………. энергии.
2) Реакции энергетического обмена идут с ……………… энергии.
3) Подготовительный этап энергетического обмена осуществляется ……………. .4) Гликолиз протекает в ………………… .5) Во время подготовительного этапа белки под действием пищеварительных ферментов превращаются в ……………….
6) Бескислородное ферментативное расщепление глюкозы называют …… .7) Третий этап энергетического обмена осуществляется …………
Эталоны ответов:
1) Реакции пластического обмена идут с затратой энергии.
2) Реакции энергетического обмена идут с выделением энергии.
3) Подготовительный этап энергетического обмена осуществляется пищеварительном тракте.
4) Гликолиз протекает в цитоплазме клетки.
5) Во время подготовительного этапа белки под действием пищеварительных ферментов превращаются в аминокислоты.
6) Бескислородное ферментативное расщепление глюкозы называют гликолизом.
7) Третий этап энергетического обмена осуществляется на внутренней мембране митохондрий.
Критерии оценки за работу по новой теме:
Оценка «5»: обучающийся набирает 7 баллов (1балл за каждый правильный ответ)
Оценка «4»: обучающийся набирает 5-6 баллов
Оценка «3» не ставится.
Приложение 4
Задание для самостоятельной внеаудиторной работы студентов
Пользуясь следующими информационными источниками - [1, с.76 - 91]; [2, с.44 - 55], составьте план и конспект по изученной теме.
Список использованных источников
1.Биология [Текст]: учеб. для студ. учреждений сред. проф. образования / Н.В. Чебышев, Г.Г.Гринёва, Г.С. Гузикова; под ред. Н.В.Чебышева. – 6-е изд., стер. – М.: Издательский центр «Академия», 2011. – 416 с.
2. Общая биология [Текст]: учеб. для 10-11 кл. общеобразоват. учреждений / Беляев Д.К., Бородин Г.М., Воронцов Н.Н. [и др.]; под ред. Д.К. Беляева, Г.М. Дымшица. – М.: Просвещение, 2006. – 304 с.
3. Общая биология [Текст]: учеб. для студентов средних спец. Учебных заведений / Мамонтов С.Г., Захаров В.Б; под ред. В.Н. Бараненковой. – М.: Высшая школа, 2000. – 317 с.: ил.