Обмен веществ и энергии в живых организмах

САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ.

КАФЕДРА МЕДИЦИНСКОЙ

БИОЛОГИИ, ГЕНЕТИКИ

И ЭКОЛОГИИ.

МЕТОДИЧЕСКИЕ РАЗРАБОТКИ

Для преподавателей лечебного,

Педиатрического, стоматологического, медико-профилактического факультетов

ТЕМА: ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ОБМЕН У АЭРОБНЫХ И АНАЭРОБНЫХ ОРГАНИЗМОВ. ЭВОЛЮЦИЯ НАИБОЛЕЕ РАСПРОСТРАНЕННЫХ БЕЛКОВ.

Составители: Л.Н. Самыкина

Самара, 2010.

Методические разработки предназначены для преподавателей, ведущих занятия со студентами 1-ого курса лечебного, педиатрического, стоматологического и медико-профилактического факультетов с учетом требований единой методической системы университета и в соответствии с действующей программой по биологии.

Рецензенты:

Заведующий кафедрой общей гигиены СамГМУ,

доктор медицинских наук, профессор И.И. Березин

Заведующий кафедрой химии фармацевтического

факультета, доктор биологических наук,

профессор И.Ф. Шаталаев

I. АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ

Любая живая клетка представляет собой активную, динамическую систему. В ней происходит преобразование энергии, синтез, распад и перенос веществ. Весь этот комплекс реакций живой клетки носит название метаболизма или обмена веществ и энергии.

Для осуществления любых проявлений жизнедеятельности необходима энергия. АТР служит универсальным источником энергии в клетке. Именно АТР служит главным переносчиком химической энергии в клетках всех живых организмов. АТР может передавать свою энергию некоторым другим биомолекулам, теряя при этом концевую фосфатную группу; в результате богатая энергией молекула АТР превращается в энергетически обедненную молекулу АДР – аденозиндифосфат. АТР – главное связующие звено между двумя большими разветвленными системами ферментативных реакций в клетке. Одна из этих систем сохраняет химическую энергию, поступающую из окружающей среды путем фосфорилирования АДР. Другая использует энергию АТР для биосинтеза клеточных компонентов из более простых предшественников, выполнения механической работы сократительных и двигательных аппаратов, для совершения осмотической работы – переноса веществ через мембраны. В живых организмах АТР используется для процессов химического синтеза, для всех видов движения, в том числе и мышечного; для передачи нервных импульсов, секрецию желез, биосинтез сложных органических соединений, активный транспорт веществ через мембраны и др.

Обменные процессы взаимосвязаны и сбалансированы, что обеспечивает постоянство внутренней среды организма и внутриклеточной среды – гомеостаз – в непрерывно меняющихся условиях существования. Обмен веществ лежит в основе самосохранения, роста, развития и самовоспроизведения организмов; он же позволяет им адаптироваться к изменяющимся условиям окружающей среды. У каждого вида организмов в процессе филогенеза сложились свои особенности метаболизма, связанные с условиями жизни.

2. ЦЕЛЬ ЗАНЯТИЯ:

Сформировать знание о химическом составе, строении и функциях АТР в клетке и роли АТР в процессах биосинтеза белков, нуклеиновых кислот, липидов и полисахаридов. Научить студентов выявлять причинно - следственные связи, лежащие в основе обмена веществ. Изучить особенности и отличия энергетического обмена у аэробных и анаэробных организмов.

Студент должен знать:

· различные формы обмена веществ в клетке и организме;

· сущность процесса метаболизма;

· энергетический обмен у аэробных и анаэробных организмов;

· химические свойства АТР как универсального источника энергии в клетках живых организмов;

· энтропию;

· общую характеристику клеточного дыхания;

· эволюцию наиболее распространенных белков.

Студент должен уметь:

· решать ситуационные задачи.

Студент должен иметь представление:

· о законах термодинамики.

3. Место проведения:

Кафедра медицинской биологии, генетики и экологии СамГМУ

4. Время занятия: 135 минут

5. Оснащение:

· кодоскоп;

· методические указания по данной теме;

· слайды.

Истоки:

· общая биология;

· бионеорганическая химия;

· экология;

· биохимия.

Выход:

В практической деятельности врача для понимания происхождения ряда наследственных заболеваний, вызванных нарушением обменных процессов у человека.

Требования рабочей программы по изучаемому материалу:

Поток информации, энергии и вещества в клетке. Энтропия, как мера необратимости природных процессов.

6. Контрольно-учебная карта внеаудиторной подготовки к занятиям:

Цель этапа: путем самостоятельной работы с учебной литературой освоить ключевые вопросы темы.

Ключевые вопросы темы	Цель	Вопросы для самоподготовки
1. Энергетический обмен у аэробных и анаэробных организмов	Изучить значение энергетического обмена в клеточном метаболизме у аэробных и анаэробных организмов.	Определение понятий: метаболизм, анаболизм, катаболизм. Их взаимосвязь.
2. Химические свойства АТР как универсального источника энергии в клетках живых организмов	Изучить химические состав строение и функции АТР в клетке.	Строение АТР.
3. Клеточный метаболизм и его сущность	Изучить метаболические процессы в клетке.	Определение клеточного метаболизма и его значения.
4. Превращение энергии в клетке. Законы термодинамики.	Изучить процессы превращения энергии. Сущность фундаментальных законы термодинамики.	Первый закон термодинамики. Второй закон термодинамики.
5. Энтропия как мера необратимости природных процессов	Изучить понятие «энтропия».	Определение и сущность процесса энтропии. Уравнение изменения свободной энергии, теплоты и энтропии химических реакций.
6.Общая характеристика клеточного дыхания	Изучить основные этапы клеточного дыхания.	Определение понятие «дыхание». Суммарный энергетический выход процесса дыхания.
7. Аэробное дыхание	Изучить этапы аэробного дыхания: I. бескислородный II. кислородный	Высвобождение потенциальной энергии химических связей. Этапы аэробного дыхания. Роль митохондрий в регуляции метаболизма
8. Особенности анаэробного дыхания. Отдельные этапы гликолиза.	Изучить особенности анаэробного дыхания. Изучить эффективность превращения энергии пи аэробном и анаэробном дыхании. Изучить этапы гликолиза.	Сущность процесса гликолиза. Суммарная реакция гликолиза.
9. Эволюция наиболее распространенных белков	Изучить эволюцию наиболее распространенных белков.	Удвоение и дивергенция генов в филогенезе. Полиморфизм белков. Виды гемоглобинов. Трансплантационная несовместимость. Концепция иммунологического надзора.

7. План проведения занятия:

Название этапа	Описание этапа	Цель этапа	Время
1.Организационный момент	Отметка присутствующих.	Мобилизация внимания студентов.
2.Вводное слово преподавателя	Определение: - темы занятия - актуальности темы - цели занятия.	Создание мотивации значимости изучения вопросов энергетического обмена у аэробных и анаэробных организмов и эволюции наиболее распространенных белков.
3. Контроль исходного уровня.	Проведение вводного тестового контроля.     Фронтальный вопрос по ключевым вопросам темы: 1) Энергетический обмен у аэробных и анаэробных организ-мов 2) Химические свойства АТР как универсального источника энергии в клетках живых организмов 3) Клеточный метабо-лизм и его сущность 4) Превращение энер-гии в клетке. Законы термодинамики. 5) Энтропия как мера необратимости природных процессов 6) Общая характерис-тика клеточного дыха-ния 7) Аэробное дыхание. 8) Особенности ана-эробного дыхания. Гликолиз. 9) Эволюция наиболее распространенных белков.	Оценка исходных знаний студентов по изучаемой теме.   Рефлексия студен-тов в понимании вопросов энергети-ческого обмена у аэробных и ана-эробных организ-мов. Изучение наиболее распространенных белков.
4.Педагогический показ.	Научить студентов решать ситуационные задачи по изучаемой теме. Обучающая задача №1 1. Если при гликолизе одна молекула глюкозы расщепляется с образованием 2-ух молекул пировиноградной кислоты (ПВК), следовательно, гликолизу подверглось: 42/2=21 молекула глюкозы. 2. При полном окислении одной молекулы глюкозы (бескислородный и кислородный этапы) образуется 38 молекул АТФ. 3. При окислении 21 молекулы образуется: 21*38=798 молекул АТФ.	Изучение особен-ностей процесса гликолиза. Разбор основных ситуа-ционных обуча-ющих задач по данной теме.
5. Практическая работа студентов.	В ходе практической рабо­ты студенты оформляют решения обучающих и тренирующих, контролирующих задач в протокол занятия.	Выработка навыков самостоятельной работы при решении различных ситуационных задач.
6. Оформление протокола.	В ходе практической работы оформить протокол по решению ситуационных задач.	Документиро­вать результаты работы для дальнейшего использования.
7. Решение ситуационных задач.	Выдать каждому студенту индивидуальную задачу.	Формирование профессионального мышления у студентов.
8. Контроль конечного уровня знаний.	1.Выполнение выходного тестового контроля. 2.Проверка протокола	Оценка знаний студентов.
9. Заключение.	Подведение итогов занятия.	Ориентация студентов на самостоятельную домашнюю подготовку.

Литература:

1. Ярыгин В.Н., Васильев В.И., Волков И.Н., Синельников В.В. Биология В 2 кн. Учеб. для медиц. спец. вузов. –М.: Высш. шк., 2000

2. Н.Грин. У. Стаут. Д. Тейлор. Биология в 3-х томах. Москва. Мир 1996.

3. В. Альбертс, Д. Брей, Д. Льюис, М. Рэфф, К. Роберте, Д. Уотсон. Молекулярная биология в 3-х томах. Москва. Мир. 1994.

4. Лекции по биологии.

5. Пехов А.П. Биология основами экологии. - Спб.: Лань,2001.-198с.

6. Мушкамбаров Н.Н., Кузнецов С.Л. Молекулярная биология. Изд. Медицинское информационное агентство. Москва, 2003.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Блок информации:

Обмен веществ и энергии в живых организмах.

Обмен энергии у живых организмов подчиняется всем физическим законам. Процессы роста и поддержания жизни требуют затрат энергии, которые должны каким-то образом возмещены. Живые организмы поглощают из окружающей среды энергию в такой форме, чтобы ее можно было использовать в конкретных условиях их существования при данных значения температуры и давления. Живые организмы создают и поддерживают сложные, упорядоченные и целенаправленные элементы своей структуры за счет свободной энергии окружающей среды, эту энергию они затем возвращают в среду в менее пригодной для них форме. Для всех живых организмов в земной биосфере источником энергии служит в конечном счете солнечное излучение, которое возникает в результате реакции ядерного синтеза. Другие организмы не способные к фотосинтезу, получают необходимую энергию путем окисления богатых энергией растительных продуктов атмосферным кислородом. Образующийся в результате окисления углекислый газ попадает в окружающую среду и снова вовлекается растениями.

Энергетические потребности всех живых организмов прямо или косвенно удовлетворяются за счет солнечной энергии АТР либо за счет солнечной энергии (в фотосинтезирующих клетках), либо за счет химической энергии (в животных клетках).

Живые клетки представляют собой химические машины, работающие при постоянной температуре. Клетки используют химическую энергию для выполнения химической работы в процессе их роста и биосинтеза клеточных компонентов, а также осмотической работы, необходимой для переноса питательных веществ в клетку, и механической работы сократительного и двигательного аппаратов. Системы преобразования энергии в живых клетках целиком построены из сравнительно хрупких и неустойчивых органических молекул, не способных выдерживать высокие температуры, сильный электрический ток, действие сильных кислот и оснований. Все части живой клетки имеют примерно одну и ту же температуру. Отсюда можно заключить, что клетки не могут использовать тепло как источник энергии, поскольку тепло может совершать работу лишь тогда когда оно переходит от более нагретого тела к более холодному. Живые клетки улавливают, сохраняют и передают энергию в химической форме главным образом в виде энергии, заключенной в молекулах аденозинтрифосфата (АТР).