Процессы, протекающие в клетках

Обмен веществ

1. Испарение воды

Цели:

Образовательные:

× конкретизировать знания об обмене веществ (метаболизме) как свойстве живых организмов, познакомить с двумя сторонами обмена, выявить общие закономерности метаболизма.

× установить связь пластического и энергетического обмена на разных уровнях организации живого и их связь с окружающей средой.

× обеспечить закрепление основных биологических понятий: автотрофные, гетеротрофные организмы, пластический и энергетический обмен; анаболизм, катаболизм, метаболизм, фотосинтез, ассимиляция, диссимиляция, распад.

Развивающие:

× формировать умение выделять сущность процесса в изучаемом материале; обобщать и сравнивать, делать выводы; работать с текстом, схемами, другими источниками.

× реализация творческого потенциала учащихся, развитие самостоятельности.

Воспитательные:

× используя приобретенные знания, понимать перспективы практического использования фотосинтеза.

× понимать влияние обмена веществ на сохранение и укрепление здоровья.

Оборудование: компьютер, мультимедийный проектор, презентация SMART, раздаточный материал. Презентация размещена на сайте SMARTExchange Метаболизм.notebook

Тип урока: комбинированный

Технологии: технология проблемного обучения, ИКТ.

Ход урока.

1. Организационное начало урока

2. Введение в тему урока.

Вводная беседа

При работе используются термины, занесённые в глоссарий.

Мы изучали клеточный уровень организации жизни.

· Вспомните определение клетки.

Итак. Клетка структурная и функциональная единица живого, а следовательно для неё характерны все свойства живого.

· Перечислите свойства присущие живым организмам

· Попробуйте определить, о каком свойстве живого идёт речь?

Процесс поглощения жидких, твёрдых, газообразных веществ живыми организмами для поддержания нормального течения физиологических процессов жизнедеятельности. (ПИТАНИЕ)

· Способы питания живых организмов.

Работа со схемой (слайд SMART 1)

Какие способы питания живых организмов вам известны?

В чем заключается каждый из способов питания?

Уточнение, в чем заключается автотрофный и гетеротрофный способ питания, что происходит с веществами, попавшими в организм, какие вещества ускоряют процессы распада и синтеза веществ, Что собой представляют ферменты .

Живые существа используют световую и химическую энергию.

Автотрофы используют в качестве источника углерода углекислый газ.

Гетеротрофы используют органические источники углерода. Исключение составляют некоторые протисты, например эвглена зеленая, способная к автотрофному и гетеротрофному типам питания.

Автотрофы синтезируют органические соединения при фотосинтезе или хемосинтезе. Гетеротрофы получают органические вещества вместе с пищей.

(слайд SMART 2)

· А это что за процесс?

Процесс, получая из окружающей среды кислород и выведения в окружающую среду в газообразном состоянии некоторой части продуктов метаболизма организма

· Зачем необходим кислород в клетке?

Окисление - это любая реакция при которой электроны переходят от одного атома (или молекулы) к другому, это удаление электронов. Окисляясь, вещество либо соединяется с кислородом, либо теряет водород, либо теряет электроны.

· Попробуйте сформулировать, что такое выделение?

(выведение из организма продуктов жизнедеятельности)

· Как можно назвать совокупность протекающих в живых организмах химических превращений, обеспечивающих их рост, развитие процессы жизнедеятельности, воспроизведение потомства, активное взаимодействие с окружающей средой?

(Обмен веществ = метаболизм)

· Из каких двух частей (сторон) состоит обмен веществ?

(Пластический обмен и энергетический обмен)

3 А. Сегодня на уроке мы более подробно поговорим о метаболизме, его сторонах (частях), попробуем выяснить как связаны между собой эти части и почему у растений преобладает пластический обмен, а у животных энергетический.

На доске (слайд SMART 3) тема урока . МЕТАБОЛИЗМ.

Проблемные вопросы:

1. Как связаны между собой пластический и энергетический обмен?

2. Почему у растений преобладает пластический обмен, а у животных энергетический?

Какие же определения обмена веществ даны в глоссарии? Запишите одно из них.

А. Обмен веществ (метаболизм) — это совокупность взаимосвязанных процессов синтеза и расщепления, сопровождающихся превращением химических веществ клетки, а также поглощением и выделением энергии.

Б. Обмен веществ (метаболизм) - это совокупность ферментативных реакций, происходящих в клетке и обеспечивающих как расщепление сложных соединений, так и их синтез и взаимопревращение.

Термин «обмен веществ» вошёл в повседневную жизнь с тех пор, как врачи стали связывать избыточный или недостаточный вес, чрезмерную нервозность или, наоборот, вялость больного с повышенным или пониженным обменом. Для суждения об интенсивности метаболизма делают тест на основной обмен. Основной обмен - это показатель способности организма вырабатывать энергию.

Обмен веществ и энергии (метаболизм) осуществляется на всех уровнях организма: клеточном, тканевом и организменном. Он обеспечивает постоянство внутренней среды организма - гомеостаз - в непрерывно меняющихся условиях существования. В клетке протекают одновременно два процесса - это пластический обмен и энергетический обмен. Все процессы, связанные с пластическим и энергетическим обменом, катализируются ферментами.

Задание по вариантам

1 вариант.

Прочитайте текст

Пластический обмен.

Пластический обмен (ассимиляция) - это совокупность реакций анаболизма (биосинтеза), или создание сложных молекул из простых. Процессы анаболизма, происходящие в зелёных растениях с использованием солнечной энергии, имеют планетарное значение, играя решающую роль в синтезе органических веществ из неорганических (фотосинтез). Очень интенсивно анаболизм происходит в периоды роста: у животных — в молодом возрасте, у растений — в течение вегетационного периода. В клетке постоянно синтезируются белки из аминокислот, жиры из глицерина и жирных кислот, углеводы из моносахаридов, нуклеотиды из азотистых оснований и сахаров.Все реакции биосинтеза идут с поглощением энергии, которая освобождается при расщеплении молекулы АТФ, образовавшейся в ходе энергетического обмена.

Ответьте на вопросы.

- Что происходит с энергией?

- Что происходит с АТФ?

- Подготовьте общий ответ на поставленные вопросы.

2 вариант.

Прочитайте текст

Энергетический обмен.

Энергетический обмен или катаболизм - это совокупность реакций распада сложных органических соединений до более простых молекул или окисления какого-либо вещества, обычно протекающего с высвобождением энергии. Катаболические реакции лежат в основе диссимиляции: утраты сложными веществами своей специфичности для данного организма в результате распада до более простых. Расщепление органических веществ осуществляется в цитоплазме и митохондриях с участием кислорода.Ряд процессов диссимиляции ‒ дыхание , брожение и гликолиз ‒ занимает центральное место в обмене веществ. Энергия, освобождающаяся при распаде органических веществ, не сразу используется клеткой, а запасается в форме АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты) и других высокоэнергетических соединений. АТФ — универсальный источник энергообеспечения клетки. Синтез АТФ происходит в клетках всех организмов в процессе фосфорилирования — присоединения неорганического фосфата к АДФ.

Ответьте на вопросы.

- Какие ещё термины употребляются при данном типе обмена.

- Что происходит с энергией?

- Что происходит с АТФ?

- Подготовьте общий ответ на поставленные вопросы..

Учащиеся каждого варианта заполняют таблицу, а затем формулируют ответ, дополняют его. Происходит обсуждение, в ходе которого формулируются и записываются ответы на проблемные вопросы.

(слайд SMART4)

4.Обобщение пройденного.

На основании всего сказанного учащиеся отвечают на проблемные вопросы.

Как связаны между собой пластический и энергетический обмен?

( Смысл ответа. Оба обмена связаны между собой через превращение веществ и энергии. Источником энергии в живых клетках, обеспечивающим все виды их деятельности, является аденозинтрифосфорная кислота (АТФ). Освобождающаяся при расщеплении АТФ энергия обеспечивает любые виды клеточных функций - движение, биосинтез, перенос веществ через мембраны и др. Так как запас АТФ в клетке невелик, то понятно, что по мере убыли АТФ содержание ее должно восстанавливаться. В действительности так и происходит. Биологический смыл остальных реакций энергетического обмена и состоит в том, что энергия, освобождающаяся в результате химических реакций окисления углеводов и других веществ, используется для синтеза АТФ, т. е. для восполнения ее запаса в клетке. )

Почему у растений преобладает пластический обмен, а у животных энергетический?

(Смысл ответа. Растения - автотрофы, они сами синтезируют органические вещества с использованием энергии света, которые используют для построения тела. Поэтому у них преобладает пластический обмен. Животные гетеротрофы, они используют вещества из пищи, которую расщепляют до простых молекул, а потом используют. У них преобладает энергетический обмен.)

Ответы записываются в тетрадь.

2. Закрепление материала.

· Установите соответствие между биологическим процессом и его свойством.

· (слайд SMART5)

3. Д.З. Рефлексия

При работе могут использоваться дополнительные слайды SMART6 и 7

Все живые организмы способны к обмену веществ с окружающей средой, поглощая из нее элементы, необходимые для питания, и выделяя продукты жизнедеятельности. В круговороте органических веществ самыми существенными стали процессы синтеза и распада.

Ассимиляция или пластический обмен – совокупность реакций синтеза, которые идут с затратой энергии АТФ. В процессе ассимиляции синтезируются органические вещества, необходимые клетке. обеспечивает рост, развитие, обновление организма и накопление запасов, используемых в качестве источника энергии. Организмы с точки зрения термодинамики представляют собой открытые системы, т. е. могут существовать только при непрерывном притоке энергии извне. Ассимиляция уравновешивается суммой процессов диссимиляции (распада). Примером таких реакций являются фотосинтез, биосинтез белка и репликация ДНК.

Аминокислоты -> Белки

Глюкоза -> Полисахариды

Глицерин + Жирные кислоты -> Жиры

Нуклеотиды -> Нуклеиновые кислоты

Другая сторона обмена веществ - процессы диссимиляции, в результате которых сложные органические соединения распадаются на простые соединения, при этом утрачивается их сходство с веществами организма и выделяется энергия, запасаемая в виде АТФ, необходимая для реакций биосинтеза. Поэтому диссимиляцию называют еще энергетическим обменом. Наиболее важными процессами энергетического обмена являются дыхание и брожение.

Белки -> Аминокислоты

Полисахариды -> Глюкоза

Жиры -> Глицерин + Жирные кислоты

Нуклеиновые кислоты -> Нуклеотиды

Обмен веществ обеспечивает постоянство химического состава и строения всех частей организма и как следствие - постоянство функционирования в непрерывно меняющихся условиях окружающей среды.

Дезоксирибонуклеиновая кислота, ее строение и свойства. Мономеры ДНК. Способы соединения нуклеотидов. Комплементарность нуклеотидов. Антипараллельные полинуклеотидные цепи. Репликация и репарация.

Структура молекулы ДНК была расшифрована в 1953г Уотсоном, Криком, Уилкинсом. Это две спирально закрученные антипараллельные (напротив конца 3 / одной цепи располагается 5 / конец другой) полинуклеотидные цепи. Мономерами ДНК являются нуклеотиды , в состав каждого из них входят: 1) дезоксирибоза; 2) остаток фосфорной кислоты; 3) одно из четырех азотистых оснований (аденин, тимин, гуанин, цитозин).). В клетках прокариотических организмов (бактерий и архей) кольцевая или линейная молекула ДНК, так называемый нуклеоид , прикреплена изнутри к клеточной мембране. ДНК - это длинная полимерная молекула, состоящая из повторяющихся блоков - нуклеотидов. Нуклеотиды соединяются в цепочку благодаря фосфорно-диэфирным связям между дезоксирибозой одного остатка и остатком фосфорной кислоты другого нуклеотида. Азотистые основания присоединяются к дезоксирибозе и образуют боковые радикалы. Между азотистыми основаниями цепочек ДНК устанавливаются водородные связи (2 между А и Т, 3 между Г и Ц). Строгое соответствие нуклеотидов друг другу в парных цепочках ДНК называется комплементарностью.

РЕПАРАЦИЯ ДНК- особая функция клеток, заключающаяся в способности исправлять химические повреждения и разрывы в молекулах ДНК, повреждённой при нормальном биосинтезе ДНК в клетке или в результате воздействия физических или химических агентов. Осуществляется специальными ферментными системами клетки. Ряд наследственных болезней (напр., пигментная ксеродерма) связан с нарушениями систем репарации. Каждая из систем репарации включает следующие компоненты:

ДНК-хеликаза - фермент, «узнающий» химически изменённые участки в цепи и осуществляющий разрыв цепи вблизи от повреждения; фермент, удаляющий повреждённый участок;

ДНК-полимераза - фермент, синтезирующий соответствующий участок цепи ДНК взамен удалённого;

ДНК-лигаза - фермент, замыкающий последнюю связь в полимерной цепи и тем самым восстанавливающий её непрерывность.

Репликация молекул ДНК происходит в синтетический период интерфазы. Каждая из двух цепей "материнской" молекулы служит матрицей для "дочерней". После репликации вновь синтезированная молекула ДНК содержит одну "материнскую" цепочку, а вторую - "дочернюю", вновь синтезированную (полуконсервативный способ). Для матричного синтеза новой молекулы ДНК необходимо, чтобы старая молекула была деспирализована и вытянута. Репликация начинается в нескольких местах молекулы ДНК. Участок молекулы ДНК от точки начала одной репликации до точки начала другой называется репликоном . Прокариотическая клетка содержит один репликон, а эукариотическая - содержит много репликонов. Начало репликации активируется праймерами (затравками), состоящими из 100-200 пар нуклеотидов. Фермент ДНК-геликаза раскручивает и разделяет материнскую спираль ДНК на 2 нити, на которых по принципу комплементарности при участии фермента ДНК-полимеразы собираются «дочерние» цепи ДНК . Фермент ДНК-топоизомераза скручивает «дочерние» молекулы ДНК. В каждом репликоне ДНК-полимераза может двигаться вдоль «материнской» нити только в одном направлении (3/ ⇒ 5/). Таким образом, присоединение комплементарных нуклеотидов дочерних нитей идет в противоположных направлениях (антипараллельно). Репликация во всех репликонах идет одновременно. Фрагменты Оказаки и части «дочерних» нитей, синтезированные в разных репликонах, сшиваются в единую нить ферментом лигазой . Репликация характеризуется полуконсервативностью, антипараллельностью и прерывистостью (фрагменты Оказаки).

Механизм репарации основан на наличии в молекуле ДНК двух комплементарных цепей. Искажение последовательности нуклеотидов в одной из них обнаруживается специфическими ферментами. Затем соответствующий участок удаляется и замещается новым, синтезированным на второй комплементарной цепи ДНК. Такую репарацию называют эксцизионной , т.е. с «вырезанием». Она осуществляется до очередного цикла репликации, поэтому ее называют также дорепликативной .

В том случае, когда система эксцизионной репарации не исправляет изменения, возникшего в одной цепи ДНК, в ходе репликации происходит фиксация этого изменения и оно становится достоянием обеих цепей ДНК. Это приводит к замене одной пары комплементарных нуклеотидов на другую либо к появлению разрывов (брешей) во вновь синтезированной цепи против измененных участков. Пострепликативная репарация осуществляется путем рекомбинации (обмена фрагментами) между двумя вновь образованными двойными спиралями ДНК. Пример- восстановление нормальной структуры ДНК при возникновении тиминовых димеров (Т-Т) Ковалентные связи, возникающие между рядом стоящими остатками тимина, делают их не способными к связыванию с комплементарными нуклеотидами. В результате во вновь синтезируемой цепи ДНК появляются разрывы (бреши), узнаваемые ферментами репарации. Восстановление целостности новой полинуклеотидной цепи одной из дочерних ДНК осуществляется благодаря рекомбинации с соответствующей ей нормальной материнской цепью другой дочерней ДНК. Образовавшийся в материнской цепи пробел заполняется затем путем синтеза на комплементарной ей полинуклеотидной цепи. Проявлением такой пострепликативной репарации, осуществляемой путем рекомбинации между цепями двух дочерних молекул ДНК, можно считать нередко наблюдаемый обмен материалом между сестринскими хроматидами.

18. Репликация молекулы ДНК. Репликон. Праймер. Принципы репликации ДНК: полуконсервативность, антипараллельность, прерывистость (фрагменты Оказаки). Фазы репликации: инициации, элонгации, терминации . Особенности репликации ДНК про- и эукариот.

Способность к самокопированию- репликация. Это свойство обеспечивается двухцепочечной структуре. В процессе репликации на каждой полинуклеотидной цепи материнской молекулы ДНК синтезируется комплементарная ей цепь. Такой способ удвоения молекул, при котором каждая дочерняя молекула содержит одну материнскую и одну вновь синтезированную цепь, называют полуконсервативным .

Для осуществления репликации цепи материнской ДНК должны быть отделены друг от друга, чтобы стать матрицами, на которых будут синтезироваться комплементарные цепи дочерних молекул. C помощью фермента геликазы , разрывающего водородные связи, двойная спираль ДНК расплетается в точках начала репликации. Образующиеся одинарные цепи ДНК связываются специальными дестабилизирующими белками, которые растягивают остовы цепей, делая их азотистые основания доступными для связывания с комплементарными нуклеотидами, находящимися в нуклеоплазме. На каждой из цепей, образующихся в области репликационной вилки, при участии фермента ДНК-полимеразы осуществляется синтез комплементарных цепей.

Cинтез второй цепи ДНК осуществляется короткими фрагментами (фрагменты Оказаки ) также в направлении от 5"- к 3"-концу. Синтезу каждого такого фрагмента предшествует образование РНК-затравки длиной около 10 нуклеотидов. Вновь образованный фрагмент с помощью фермента ДНК-лигазы соединяется с предшествующим фрагментом после удаления его РНК-затравки. В связи с указанными особенностями репликационная вилка является асимметричной. Из двух синтезируемых дочерних цепей одна строится непрерывно, ее синтез идет быстрее и эту цепь называют лидирующей . Синтез другой цепи идет медленнее, так как она собирается из отдельных фрагментов, требующих образования, а затем удаления РНК-затравки. Поэтому такую цепь называют запаздывающей (отстающей ). Хотя отдельные фрагменты образуются в направлении 5" → 3", в целом эта цепь растет в направлении 3" → 5". Репликация ДНК у про- и эукариот в основных чертах протекает сходно, однако, скорость синтеза у эукариот на порядок ниже, чем у прокариот. Причиной этого может быть образование ДНК эукариот достаточно прочных соединений с белками, что затрудняет ее деспирализацию, необходимую для осуществления репликативного синтеза.

Праймер - это короткий фрагмент нуклеиновой кислоты, комплементарный ДНК- или РНК-мишени, служит затравкой для синтеза комплементарной цепи с помощью ДНК-полимеразы, а также при репликации ДНК. Затравка необходима ДНК-полимеразам для инициации синтеза новой цепи, с 3"-конца праймера. ДНК-полимераза последовательно добавляет к 3"-концу праймера нуклеотиды, комплементарные матричной цепи.

Репликон - единица процесса репликации участка генома, к-рый находится под контролем одной точки инициации (начала) репликации. От точки инициации репликация идёт в обе стороны, в нек-рых случаях с неравной скоростью. Репликация ДНК - ключевое событие в ходе деления клетки. Принципиально, чтобы к моменту деления ДНК была реплицирована полностью и при этом только один раз. Это обеспечивается определёнными механизмами регуляции репликации ДНК. Репликация проходит в три этапа:

· инициация репликации

· элонгация

· терминация репликации.

Регуляция репликации осуществляется в основном на этапе инициации. Это достаточно легко осуществимо, потому что репликация может начинаться не с любого участка ДНК, а со строго определённого, называемого сайтом инициации репликации . В геноме таких сайтов может быть как всего один, так и много. С понятием сайта инициации репликации тесно связано понятие репликон. Репликон - это участок ДНК, который содержит сайт инициации репликации и реплицируется после начала синтеза ДНК с этого сайта.

Репликация начинается в сайте инициации репликации с расплетания двойной спирали ДНК, при этом формируется репликационная вилка - место непосредственной репликации ДНК. В каждом сайте может формироваться одна или две репликационные вилки в зависимости от того, является ли репликация одно- или двунаправленной. Более распространена двунаправленная репликация. Через некоторое время после начала репликации в электронный микроскоп можно наблюдать репликационный глазок - участок хромосомы, где ДНК уже реплицирована, окружённый более протяжёнными участками нереплицированной ДНК.

Полуконсервативность означает, что каждая дочерняя ДНК состоит из одной матричной цепи и одной вновь синтезированной.

Антипараллельность цепей ДНК: противоположная направленность двух нитей двойной спирали ДНК; одна нить имеет направление от 5" к 3", другая - от 3" к 5".

Каждая цепь ДНК имеет определенную ориентацию. Один конец несет гидроксильную группу (- ОН), присоединенную к 3"-углероду в сахаре дезоксирибозе, на другом конце цепи находится остаток фосфорной кислоты в 5"-положении сахара. Две комплементарные цепи в молекуле ДНК расположены в противоположных направлениях - антипараллельно: одна нить имеет направление от 5" к 3", другая - от 3" к 5". При параллельной ориентации напротив 3"-конца одной цепи находился бы З"-конец другой.

У прокариот одна из нитей ДНК разрывается и один конец ее прикрепляется к клеточной мембране, а на противоположном конце происходит синтез дочерних нитей. Такой синтез дочерних нитей ДНК получил название «катящегося обруча». Репликация ДНК протекает быстро.