«Обмен веществ и превращение энергии в клетке».

1. Основное содержание. Основные пути клеточного метаболизма, их роль в процессах жизнедеятельности организма. Синтез энергии в клетке. Субстратное и окислительное фосфорилирование – основные пути синтеза АТФ. Ферменты биологического окисления. Митохондрии – силовые станции клетки.

2. Развитие понятий «обмен веществ, дыхание, биологическое окисление» при изучении клеточного и организменного уровней организации жизни.

3. Методика урока с использованием активных методов обучения и компьютерных технологий.

1. Клеточный метаболизм складывается из двух потоков реакций. Вся совокупность химических реакций в клетке называется метаболизм. Процесс, охватывающий усвоение пищевых веществ и построение из них тела организма (анаболизм) и распад в нем (катаболизм). Катаболизм, или диссимиляция, или энергетический обмен – совокупность реакций, в которых происходит расщепление сложных органических молекул до более простых конечных продуктов (метаболитов); при этом высвобождающаяся во время расщепления химическая энергия запасается в доступной для использования клеткой форме. Энергетический обмен состоит из 3 этапов:

1) подготовительный: происходит расщепление высокомолекулярных органических веществ до низкомолекулярных. Он протекает на клеточном уровне – в лизосомах. Вся энергия, выделяющаяся на подготовительном этапе, рассеивается в виде тепла.

2) гликолиз, бескислородное окисление. Процесс гликолиза протекает в цитоплазме. Глюкоза расщепляется до 2 молекул пировиноградной кислоты (ПВК), которые в зависимости от типа клеток и организмов могут превращаться в молочную кислоту, спирт или другие органические соединения. При этом выделяющаяся энергия частично запасается в виде 2 молекул АТФ, а частично расходуется в виде тепла. Бескислородные процессы называются брожением.

3) кислородный – дыхание. Биологическое окисление протекает в митохондриях. ПВК поступает в митохондрию, где преобразуется в уксусную кислоту, соединяется с ферментом-переносчиком и входит в цикл Кребса. В результате этих реакций при участии кислорода образуются углекислый газ и вода, а на кристах митохондрий за счет выделяющейся энергии синтезируется 36 молекул АТФ.

Анаболизм, или ассимиляция, или пластический обмен – это совокупность реакций, в которых из малых молекул-предшественников или мономерных «строительных блоков» синтезируются белки, нуклеиновые кислоты, липиды, полисахариды и прочие клеточные компоненты; эти реакции требуют затраты энергии для своего осуществления.

Пластический обмен включает в себя 2 важнейших биологических процесса – фотосинтез и биосинтез белка. Фотосинтез – процесс первичного синтеза органических веществ из неорганических (углекислого газа и воды) под действием солнечного света. Биосинтез белка – это совокупнсть реакций синтеза, идущих на уровне клетки с поглощением энергии, сопровождающихся образованием специфических белков.

В организме АТФ синтезируется из АДФ, используя энергию окисляющихся веществ:

АДФ + H3PO4 + энергия → АТФ + H2O.

Фосфорилирование АДФ возможно двумя способами: субстратное фосфорилирование и окислительное фосфорилирование. Основная масса АТФ образуется на мембранах митохондрий в ходе окислительного фосфорилирования H-зависимой АТФ-синтазой. Субстратное фосфорилирование АТФ не требует участия мембранных ферментов, оно происходит в процессе гликолиза или путём переноса фосфатной группы с других макроэргических соединений.

Реакции фосфорилирования АДФ и последующего использования АТФ в качестве источника энергии образуют циклический процесс, составляющий суть энергетического обмена.

В организме АТФ является одним из самых часто обновляемых веществ, так у человека продолжительность жизни одной молекулы АТФ менее 1 мин. В течение суток одна молекула АТФ проходит в среднем 2000—3000 циклов ресинтеза (человеческий организм синтезирует около 40 кг АТФ в день), то есть запаса АТФ в организме практически не создаётся, и для нормальной жизнедеятельности необходимо постоянно синтезировать новые молекулы АТФ.

В биологическом окислении принимают участие ферменты- оксигеназы. ферменты класса оксидоредуктаз, катализирующие реакции присоединения к субстрату двух атомов кислорода (в отличие от гидроксилаз). Функция большинства О. сводится к расщеплению гидроксилированных алициклич. или ароматич. колец. О. обнаружены в осн. в растениях (напр., липоксигеназа), а также у животных (микросомная фракция печени).

Митохондрия— органелла, имеющаяся во многих эукариотических клетках и синтезирующая АТФ, используемый в клетке в качестве основного источника химической энергии. Митохондрии являются «силовой станцией» клетки, поскольку за счет окислительной деградации питательных веществ в них синтезируется большая часть необходимого клетке АТФ (АТР). В митохондриях локализованы следующие метаболические процессы: превращение пирувата в ацетил-КоА, катализируемое пируватдегидрогеназным комплексом: цитратный цикл; дыхательная цепь, сопряженная с синтезом АТФ (сочетание этих процессов носит название «окислительное фосфорилирование»); расщепление жирных кислот путем β-окисления и частично цикл мочевины.