ФОТОСИНТЕЗ - ОБМЕН ВЕЩЕСТВ - КЛЕТКА — ЕДИНИЦА ЖИВОГО

Материалы глав формируют знания о важнейших реакциях пластического обмена: о фотосинтезе, о генетическом коде и биосинтезе белка, о реакциях энергетического обмена, обеспечивающих организмы энергией.

Распределение материала по урокам:

1-й урок. Фотосинтез.

2-й урок. Безкислородное окисление.

3-й урок. Кислородное окисление.

4-й урок. Генетическая информация. Репликация ДНК.

5-й урок. Генетический код. Транскрипция.

6-й урок. Трансляция.

7-й урок. Регуляция биосинтеза. Генная и клеточная инженерия.

8-й урок. Зачет.

Урок 1. ФОТОСИНТЕЗ

Задачи. Сформировать знания о реакциях пластического и энергетического обменов и их взаимосвязи; вспомнить особенности строения хлоропластов.

Дать характеристику реакциям световой фазы фотосинтеза, протекающих в тилакоидах гран, во время которых происходит использование энергии солнечного света, фотолиз воды с образованием О2, АТФ, НАДФ · Н2.

Дать характеристику реакциям цикла Кальвина, протекающим в строме хлоропластов.

Показать значение фотосинтеза как процесса, обеспечивающего синтез органических веществ, поглощение СО2 и выделение О2 в атмосферу.

Оборудование. Демонстрационный материал: таблицы по общей биологии, кодограмма.

Ход урока:

Повторение. Анализ зачета, выставление оценок (5—7 минут).

Изучение нового материала. Объяснение с помощью кодограмм.

Обмен веществ. Световая фаза фотосинтеза. Важнейшее свойство живых организмов — обмен веществ. Любой живой организм — открытая система, которая потребляет из окружающей среды различные вещества и использует их в качестве строительного материала или как источник энергии, выделяя в окружающую среду продукты жизнедеятельности и энергию.

Совокупность реакций обмена веществ, протекающих в организме, называется метаболизмом, состоящим из взаимосвязанных реакций ассимиляции (пластического обмена, анаболизма) и реакций диссимиляции (энергетического обмена, катаболизма). Ассимиляция — совокупность реакций биосинтеза, протекающих в клетке, диссимиляция — совокупность реакций распада и окисления высокомолекулярных веществ, идущих с выделением энергии. Эти две группы реакций взаимосвязаны, реакции биосинтеза невозможны без энергии, которая выделяется в реакциях энергетического обмена, реакции диссимиляции не идут без ферментов, образующихся в реакциях пластического обмена

Для поддержания различных процессов жизнедеятельности (например, для движения, для биосинтеза различных органических соединений), для поглощения веществ организму необходима энергия. Одна группа организмов (фотоавтотрофы) использует солнечную энергию, вторая группа (хемоавтотрофы) использует энергию, выделяющуюся при окислении неорганических веществ, третья группа организмов (хемогетеротрофы) окисляет органические вещества и использует выделяющуюся при этом энергию. Если организмы в зависимости от условий ведут себя как авто- либо как гетеротрофы, то их называют миксотрофами.

Метаболизм авто- и гетеротрофов различается. В качестве источника углерода автотрофы используют неорганические вещества (СО2), а гетеротрофы — органические. Различны и источники энергии: у автотрофов — энергия солнечного света или энергия, выделяющаяся при окислении неорганических соединений, у гетеротрофов — энергия окисления органических веществ.

Фотосинтез — процесс образования органических веществ из углекислого газа и воды за счет энергии света, при этом выделяется кислород.

Главным органом фотосинтеза является лист, в клетках которого имеются специализированные органоиды, ответственные за фотосинтез, — хлоропласта.

В процессе фотосинтеза различают две фазы: световую и темповую. Световая фаза происходит только на свету в мембранах тилакоидов. Тилакоид представляет собой уплощенный мешочек, образованный мембранами, содержащими молекулы хлорофилла, белки цепи переноса электронов и особые ферменты — АТФ-синтетазы.

Молекулы хлорофилла в мембранах тилакоидов организованы в фотосистемы, содержащие около 300 молекул. Более древняя фотосистема появилась у фотосинтезирующих бактерий — фотосистема-1, она способна отбирать электроны и протоны у сероводорода, при этом не происходит выделения О2:

У сине-зеленых водорослей, а затем у всех настоящих растений, кроме фотосистемы-1, появляется фотосистема-2, способная разлагать воду с выделением 02, способная отбирать электроны у водорода воды:

Под действием энергии кванта света электроны хлорофилла возбуждаются, покидают молекулу и попадают на внешнюю сторону мембраны тилакоида, которая в итоге заряжается отрицательно. Окисленные молекулы хлорофилла восстанавливаются, разлагая воду, отбирая электроны у водорода воды с помощью особого фермента, связанного с фотосистемой-2. Кислород при этом удаляется во внешнюю среду, а протоны накапливаются в «протонном резервуаре». Когда разность потенциалов между наружной и внутренней сторонами мембраны тилакоида достигает 200 мВ, срабатывает фермент АТФ-синтетаза, протоны проталкиваются через его канал, и происходит фосфорилирование АДФ до АТФ, а атомарный водород идет на восстановление специфического переносчика НАДФ+ до НАДФ · Н2.

Таким образом, в световую фазу происходит фотолиз воды, который сопровождается тремя важнейшими процессами: 1 — образованием кислорода; 2 — образованием АТФ; 3 — образованием НАДФ · Н2.

Темповая фаза фотосинтеза. Темповая фаза протекает в другое время и в другом месте — в строме хлоропласта. Для ее реакций не нужна энергия света. Происходит фиксация углекислого газа, содержащегося в воздухе, причем акцептором углекислого газа является пятиуглеродный сахар рибулозобисфосфат.

Мелвин Кальвин, лауреат Нобелевской премии, показал, как происходит образование углеводов в темновую фазу фотосинтеза. Фермент РиБФ-карбоксилаза (самый распространенный в мире фермент) катализирует реакцию карбоксилирования рибулозобисфосфата с образованием 6-углеродного соединения. Затем происходит цикл реакций, в которых через ряд промежуточных продуктов происходит образование глюкозы. В этих реакциях используется энергия АТФ и НАДФН2, образованных в световую фазу, цикл этих реакций получил название «цикл Кальвина».

Кроме глюкозы в процессе фотосинтеза образуются другие мономеры сложных органических соединений — аминокислоты, глицерин и жирные кислоты, нуклеотиды.

Благодаря фотосинтезу ежегодно из атмосферы поглощаются миллиарды тонн углекислого газа, выделяются миллиарды тонн кислорода, фотосинтез является основным источником образования органических веществ. Из кислорода образуется озоновый слой, защищающий живые организмы от коротковолновой ультрафиолетовой радиации.

При фотосинтезе зеленый лист использует лишь около 1% падающей на него солнечной энергии, продуктивность составляет около 1 г органического вещества на 1 м2 поверхности в час.

Кроме процесса фотосинтеза в листьях протекает и противоположный процесс — дыхание, при котором поглощается кислород и выделяется углекислый газ. Но при фотосинтезе выделяется кислорода в 20—30 раз больше, чем поглощается при дыхании.

Закрепление. Беседа. Работа учащихся с тетрадью и кодограммой.

Задание на дом. Изучить текст параграфа, ответить на вопросы.

Приложение 1. Кодограмма к уроку

Тема: Обмен веществ. § 10

Характеристика метаболизма

Живые организмы — открытые системы, использующие для синтеза органических веществ два вида энергии: солнечную — фототрофы и химическую — хемотрофы.

Если для синтеза используется неорганический источник углерода (СО2), а в качестве источника энергии либо солнечный свет, либо энергия окисления неорганических соединений, то организмы относят к:

Гетеротрофы используют органические источники углерода и энергию окисления органических веществ.

Если организмы в зависимости от условий ведут себя как авто- либо как гетеротрофы, то их называют миксотрофами (эвглена зеленая).

Совокупность реакций обмена веществ — метаболизм, состоит из взаимосвязанных (?) реакций пластического и реакций энергетического обмена.

Фазы фотосинтеза

Определение по формуле:

Не рисовать! Строение хлоропласта? Тилакоид? Строма?

1 — наружная мембрана

2 — внутренняя мембрана

3 — строма

4 — грана из тилакоидов

5 — тилакоид

6 — ламелла

7 — рибосомы (70S)

8 — кольцевая ДНК

Эндосимбионты?

Размеры около 5 мкм

Световая фаза:

2 и 1 — фотосистемы.

Только 2 способна отбирать е- у воды.

Световая фаза, фотолиз воды:

1. Выделение О2.

2. Образование НАДФ · Н2.

3. Образование АТФ.

Фотофосфорилирование АДФ до АТФ АТФ синтетазой.

Темновая фаза:

Протекает в строме хлоропласта, в другое время. Не нужна Q света.

Происходит карбоксилирование пятиуглеродного сахара рибулезобисфосфата, который является акцептором СO2. Реакции последовательного образования глюкозы, протекающие за счет энергии АТФ и НАДФН2 в строме хлоропласта, получили название «цикл Кальвина».

Хемоавтотрофы (Виноградский С. Н.)

Образуют органические вещества из неорганических, используя Q, получаемую при окислении.

Нитрифицирующие бактерии:

Железобактерии: (закисное в окисное)

Серобактерии: