Этапы энергетического обмена – гидролитическое расщепление и бескислородное окисление

Обращая внимание школьников на схему молекулярной организации клетки, учитель подчеркивает видовую специфичность и многообразие макромолекул – белков, нуклеиновых кислот, липидов, полимерных углеводов и поразительное единообразие строительных блоков – глюкозы, аминокислот, глицерина, жирных кислот. Десятиклассникам становится ясной сущность подготовительного этапа обмена – превращение специфических макромолекул в однотипные и универсальные строительные блоки. Учитель рассказывает, что процессы подготовительной стадии энергетического обмена у человека, многоклеточных животных происходят преимущественно в полости пищеварительных органов. Протисты, лейкоциты и некоторые другие клетки сохранили способность к внутриклеточному пищеварению. Знание школьниками строения и функций лизосом дает возможность понять роль этих органоидов в осуществлении гидролитических реакций.

В сочетании с другими средствами обучения (модели, рисунки, магнитная доска) при изучении подготовительного этапа обмена веществ рекомендуется использовать кинофрагмент «Подготовительный этап энергетического обмена», который иллюстрирует химизм, ферментативный характер и пространственную организацию реакций подготовительного этапа у одноклеточных и многоклеточных животных.

Сведения о химизме реакций гидролиза учащиеся заносят в таблицу «Строение и функции органоидов клетки», пополняя рубрику «Лизосомы».

Знание процессов биологического окисления формируется у школьников с использованием понятий электронного механизма реакций окисления-восстановления (курс химии), переноса электронов (курс физики), источников энергии для жизнедеятельности клетки (курс биологии). Для актуализации знаний окислительно- восстановительных процессов школьники отвечают на следующие вопросы: как объясняются окислительно-восстановительные процессы на основе электронной теории? Как происходит транспорт электронов при окислении и восстановлении? Как называется вещество, отдающее электроны? Как называется процесс присоединения электронов к веществу?

Мобилизация знаний о механизмах и энергетических эффектах реакций окисления-восстановления позволяет подвести школьников к заключению, что в результате подобных реакций обеспечиваются энергией процессы жизнедеятельности. Пространственное разграничение окислителя и восстановителя в клетке обусловливает легкость сопряжения этих реакций с другими реакциями, в частности, с синтезом или расщеплением АТФ.

Для раскрытия специфики биологического окисления необходимо подчеркнуть, что в живой клетке часто происходит отщепление от восстановителя атомов водорода (электронов), которые переходят к окислителю через ряд ферментов-переносчиков. Нет необходимости подробно рассматривать все реакции гликолиза, следует выяснить лишь те особенности процесса, которые проливают свет на механизм переноса водорода, на способ освобождения энергии, служат для конкретизации понятия сопряжения энд- и экзэргонических реакций, знаний АТФ, приуроченности метаболических процессов к мембранным структурам.

В процессе беседы школьники приходят к выводу об относительной инертности глюкозы. Становится ясной необходимость активизации ее молекул за счет реакции с АТФ. Выясняется, что в результате гликолиза происходит как бы перегруппировка атомов в молекуле глюкозы, при этом меняется степень окисления атомов углерода – одни восстанавливаются, другие окисляются.

Энергия такой окислительно-восстановительной перегруппировки запасается в одновременно идущем процессе синтеза АТФ из АДФ и фосфорной кислоты.

Закреплению знаний о неполном (бескислородном) окислении способствует демонстрация кадров кинофильма «Обмен веществ и энергии в клетке».

Знания о полном окислении целесообразно формировать в единстве с углублением понятий о строении и функциях митохондрий. Объяснение целесообразно начать с анализа суммарного уравнения полного окисления и постановки проблемы о процессах, приводящих к образованию энергетически обесцененного диоксида углерода.

Для упрощения молочная кислота рассматривается как связующее звено между процессами полного и неполного окисления. Учащимся нетрудно понять, что диоксид углерода отщепляется от карбоксильных групп, что этот процесс не связан с синтезом или расщеплением молекул АТФ. Участие воды в реакциях полного окисления свидетельствует об их приуроченности к ферментным системам митохондрий, связанным с водными фазами. При объяснении можно ограничиться раскрытием энергетической эффективности реакции образования воды из водорода и кислорода. Не для запоминания, а для иллюстрации данного процесса учитель записывает на доске схему:

На самодельной объемной модели митохондрий можно показать учащимся, что атомы водорода – промежуточные продукты реакций полного окисления – переносятся ферментами к кислороду. Катионы водорода поступают в цитоплазму, а электроны захватываются ферментами-переносчиками и направляются по ферментативному «конвейеру» к кислороду. Вследствие разности потенциалов между участками ферментного «конвейера» переноса электронов происходит синтез молекул АТФ из АДФ. Энергия электронного потока превращается в энергию химических связей. Электроны поступают к атомам кислорода и образующиеся анионы кислорода соединяются с катионами водорода. Происходит синтез конечного продукта энергетического обмена – воды.

Учитель подчеркивает, что полное окисление значительно эффективнее гликолиза. Появление кислородного дыхания рассматривается как крупный ароморфоз в истории жизни, вызвавший резкое повышение интенсивности жизнедеятельности. С целью закрепления знаний надо использовать кинофильм «Обмен веществ и энергии в клетке». Для проверки учитель ставит следующие вопросы: в чем сущность процессов полного окисления? За счет каких процессов происходит синтез молекул АТФ при неполном и полном окислении? Какова связь между строением и функциями митохондрий? Какова связь между полным и неполным окислением?


Учителю биологии на заметку:

Особенности обмена веществ в растительной клетке
Темновая стадия фотосинтеза. Хемосинтез
Биосинтез белков и его значение
Сборка белковой молекулы на рибосоме
Авторегуляция химических процессов в клетке
Важные задачи темы
Деление клетки – основа размножения и индивидуального развития организмов. Митоз
Митоз и мейоз
Спирализация хромосом
Формы размножения организмов. Развитие половых клеток
Мейоз как он есть
Методика обучения общей биологии