Биосинтез углеводов

Тема урока: Биосинтез углеводов - фотосинтез

Цель: сформировать знания о сущности процесса биосинтеза углеводов – фотосинтезе.

Задачи урока:

- выявить условия, необходимые для фотосинтеза;

- рассмотреть световую фазу фотосинтеза, механизм использования энергии света в гранах хлоропластов, расщепление воды, образование кислорода, АТФ, темновую фазу фотосинтеза, восстановление углекислого газа до углевода;

- обосновать космическую роль зелённых растений;

- проконтролировать первичное усвоение знаний с помощью дидактических материалов.

Оборудование: таблицы по общей биологии, схема “Процесс фотосинтеза”, карточки

Тип урока: изучение нового материала.

Ход урока

Организационный момент: Здравствуйте, кто готов к уроку посмотрите на меня, спасибо, садитесь.

Проверка готовности к уроку.

Мотивация: Обратите внимание на тему нашего урока, сейчас вы услышите историю и, скорее всего, догадаетесь: о каком процессе идет речь?

Уч-ся слушают

История.

Около 5-7 млрд. лет назад в круговом вихре газов и космической пыли образовались Солнце, Земля и другие планеты Солнечной системы. Земля постепенно остывала, её затвердевшую кору окружали газы - аммиак, метан, водород, сероводород - водяной пар. Они образовали первичную атмосферу планеты. Охлаждаясь пар, выпадал дождями и создавал первичный океан Земли. В его верхнем слое 4 млрд. лет назад появились первые организмы, они получали энергию и материал для построения своего тела только из органической пищи. Со временем их количество росло, началась конкуренция за пищу. В этот период появилась чудо - молекула в некоторых клетках, её появление вызвало на Земле настоящую биохимическую революцию.

При участии этой молекулы из обыкновенной воды и углекислого газа в клетках организмов шло самостоятельное образование органического вещества для построения тела и энергии. А вода на свету разлагалась до водорода и кислорода. В результате атмосфера насытилась кислородом.

Прошло много миллионов лет, прежде чем этим процессом заинтересовались ученые.

В 1630 году голландский врач Ян Баптист Ван Гальмонт обнаружил, что ива, растущая в горшке, за 5 лет увеличила вес на 74 кг, а вес почвы уменьшился на 57 г. Ученый сделал вывод, растение само образует органические вещества.

1752 год - М.В. Ломоносов был первым, кто начал понимать роль зеленого растения на нашей планете, но не успел экспериментально проверить свои мысли.

Английский химик Д. Пристли в 1771 году собрал газ, который выделяют растения и доказал, что этот газ поддерживает жизнь.

С 1835 по 1840 год был изучен химизм этого процесса, французский академик Буссенго составил окончательную реакцию процесса, он же установил, что СО₂ в растение попадает через устьица.

И только в 60-х гг. 19 века русский ученый Климентий Аркадьевич Тимирязев доказал, что решающую роль в этом процессе играют молекулы хлорофилла. Он очень образно описал это явление “Дайте самому лучшему повару сколько угодно свежего воздуха, сколько угодно солнечного света и целую речку чистой воды и попросите, чтобы из всего этого он приготовил Вам сахар, крахмал, жиры и зерно, – он решит, что вы над ним смеетесь. Но то, что кажется совершенно фантастическим человеку, беспрепятственно совершается в зеленых листьях растений”. Климент Аркадьевич первый обобщил все данные об этом процессе, которые были известны в науке к началу XX века и сформулировал научное понятие этого процесса в книге “Жизнь растений”. Итак, о каком же процессе идёт речь?

Ответ: фотосинтез.

Ученики: запись темы в тетрадь: "Космический процесс - фотосинтез".

Перед нами сегодня стоит цель: узнать где происходит фотосинтез (локализация, при каких условиях), как (химизм процесса), для чего (его значение)

Ученики: схема в тетради.

Учитель: Этот процесс нами изучался уже в 6 классе, на уроках ботаники, давайте вспомним определение, что такое фотосинтез?

Ученики: отвечают на вопросы.

Вспоминаем определение, (греч. фотос - свет, синтез - образование, создание).

Фотосинтез – процесс образования органических веществ из неорганических при участии солнечного света молодцы!

Учитель: Вспомним, для каких организмов по способу питания характерен этот процесс? К какому царству живой природы они принадлежат?

Ответ: Для растений, т.е. автотрофов - организмы способные сами синтезировать органические вещества из неорганических (греч. аутос - сам, трофо - питание).

Учитель: Ну, а теперь обратите внимание на стихотворение в инструктивной карте, прочитав его, вы найдёте условия, которые необходимы для фотосинтеза. 

Ученики: выполняют задание.

Вода, по стеблям поднимаясь
Идет к зеленому листу
И с СО₂ соединяясь
Дает нам сахар на свету.
Вот так творение природы -
Полезный, добрый хлорофилл
Способен прокормит народы
Хотя уж к вечеру без сил.

Ученики: записывают в тетрадь.

Условия фотосинтеза:

- свет,

- хлорофилл,

- вода,

- углекислый газ.

Учитель: Мы из стихотворения узнали, что свет и вода необходимы для фотосинтеза, а экспериментальная группа выяснила это опытным путем

Группа делает выводы по своей работе.

Учитель: Мы выяснили, фотосинтез характерен для растительного организма, а где именно протекает? какой орган растения приспособлен к нему: содержит хлорофилл, поглощает солнечный свет, поглощает воду и углекислый газ

Ответ: лист.

Учитель: Верно, это главный фотосинтезирующий орган высших растений, давайте вспомним его строение, так как оно тесно связано с функциями, сами убедитесь в этом. 

Уч-ся: сообщение.

Приспособления листа к фотосинтезу:

- прозрачная кожица (эпидермис),

- столбчатая паренхима с большим количеством хлоропластов,

- устьица для газообмена,

- жилка для проведения воды и минеральных солей,

- плоская форма листа для увеличения площади поглощения солнечного света,

- листовая мозаика,

- поворот листа на черешке к солнцу (фототаксис).

(Показать горшок с комнатным растением, поворот к свету.)

Учитель: Итак, нашли орган воздушного питания, действительно лист приспособлен к фотосинтезу, имеется хлорофиллоносная ткань. В каких органоидах осуществляется весь процесс?

Ответ: в хлоропластах.

Учитель: Вспомните, какое строение имеют хлоропласты (§ 11, рис. 16), как их строение соответствует выполняемой ими функции? (Диск, две мембраны, загибами внутренней мембраны образованы мешочки-тилакоиды, уложенные в стопки-граны. В мембраны тилакоидов встроены молекулы хлорофилла, он и улавливает энергию света; в тилакоидах происходит превращение световой энергии в химическую энергию АТФ)

Рассказ ученика о строении хлоропластов.

Главное вещество фотосинтеза – зелёный пигмент – хлорофилл. Это сложное органическое вещество, в центре которого находится атом магния. Хлорофилл находится в мембранах тилакоидов гран, из-за чего хлоропласты приобретают зелёный цвет, а благодаря хлоропластам и остальная часть клетки и весь лист становятся зелёными.

Название молекулы хлорофилла (от греч. "хлорос" - зеленый и "филон" - лист).

С локализацией выяснили. Теперь подробнее разберем условия, ответим на вопрос: как идет фотосинтез? Ознакомимся с химизмом фотосинтеза.

Учитель: Фотосинтез – процесс образования углеводов из неорганических веществ – СО₂ и Н₂О при использовании энергии солнечного света.

Общее уравнение фотосинтеза.

В ходе этого процесса из веществ, бедных энергией – углекислого газа и воды – образуется углерод глюкоза С₆Н₁₂О₆ – богатое энергией вещество, кроме того, образуется молекулярный кислород.

Уравнение показывает только количественные соотношения веществ, участвующих в фотосинтезе. Разберём всю цепь реакций этого процесса.

Ученики: Начертить в тетради таблицу.

Далее обсуждаем схему и параллельно заполняем табл. в тетрадях.

По современным данным фотосинтез включает два типа реакций: световые (светозависимые) и темновые (не зависящие от света). Световые реакции территориально привязаны к пространству, ограниченному тилакоидами. Темновые проходят в строме хлоропласта.

Ознакомимся с химизмом фотосинтеза по схеме “Процесс фотосинтеза”.

Световая фаза

Её смысл – превратить световую энергию солнца в химическую энергию молекул АТФ и других молекул, богатых энергией. Эти реакции протекают непрерывно, но их легче изучать, разделив на три стадии:

Уч-ся: работа с таблицей.

Приложение 1

1. а) Свет, попадая на хлорофилл, сообщает ему достаточно энергии для того, чтобы от молекулы мог оторваться один электрон; б) электроны захватываются белками-переносчиками, встроенными, наряду с хлорофиллом, в мембраны тилакоида и выносятся на сторону мембраны, обращённую в строму; в) в строме всегда есть вещество, являющееся переносчиком водорода, по своей природе оно является динуклеотидом и называется сокращённо НАДФ⁺ – окисленная форма (никотин–амид–аденин–динуклеотид–фосфат). Это соединение захватывает возбуждённые светом e и протоны, которые всегда есть в строме, и восстанавливается, превращаясь в НАДФ·H₂.

2. Молекулы воды разлагаются под действием света (фотолиз воды): образуются электроны, Н⁺ и O₂. Электроны замещают e, утраченные хлорофиллом на стадии 1. Протоны пополняют протонный резервуар, который будет использоваться на стадии 3. Кислород выходит за пределы клетки в атмосферу.

3. Протоны, накапливаясь внутри тилакоида, образуют положительно заряженное электрическое поле. Со стороны, обращённой в строму, мембрана заряжена отрицательно. Постепенно разность потенциалов по обе стороны мембраны возрастает и, когда она достигает критической величины (? 200 милливольт), открывается пора в ферменте, встроенном в мембрану тилакоида (фермент называется АТФ-синтетаза). Протоны устремляются по протонному каналу в ферменте наружу – в строму. На выходе из протонного канала создаётся высокий уровень энергии, который идёт на синтез АТФ (АДФ + Ф_н  АТФ). Образовавшиеся молекулы АТФ переходят в строму, где участвуют в реакциях образования углеводов.

Итак, результат световой фазы – образование молекул, богатых энергией АТФ и НАДФ·H₂, и побочного продукта – O₂?.

Темновая фаза

Эта фаза проходит в строме хлоропласта, куда поступает CO₂ из воздуха, а также продукты световой фазы АТФ и НАДФ·H₂. Здесь эти соединения используются в серии реакций, “фиксирующих” CO₂ в форме углеводов. Проследим по схеме: CO₂ присоединяется к пятиуглеродному сахару (рибулёзодифосфату), который есть в строме. Образующаяся при этом шестиуглеродная молекула нестабильна и сразу расщепляется на две трёхуглеродные молекулы, каждая из которых присоединяет фосфатную группу от АТФ. Обогащённая энергией молекула становится способной присоединить водород от переносчика НАДФ·H₂. На пятом этапе судьба трёхуглеродных молекул может быть различной: одни из них соединяются друг с другом и образуют шестиуглеродные молекулы, например, глюкозы, а те дальше объединяются в сахарозу, крахмал, целлюлозу и другие вещества. Другие трёхуглеродные молекулы используются для синтеза аминокислот, присоединяя азотсодержащие группы. Наконец, третьи вовлекаются в длинный ряд реакций, основной результат которых сводится к превращению пяти трёхуглеродных молекул в три пятиуглеродные молекулы рибулёзодифосфата. Он снова присоединяет углекислый газ, увеличивая общее количество фиксированного углерода в растении. Иными словами, процесс представляет собой цикл Кальвина (Нобелевская премия 1961 г).

Для создания одной молекулы глюкозы цикл должен повториться шесть раз: при этом всякий раз к запасу фиксированного углерода в растении прибавляется по одному атому углерода из CO₂.АДФ, Ф_н и НАДФ⁺ из цикла Кальвина возвращаются на поверхность мембран и снова превращаются в АТФ и НАДФ·H₂.

В дневное время, пока светит солнце, в хлоропластах не прекращается активное движение этих молекул: они снуют туда и сюда, как челноки, соединяя два независимых ряда реакций. Этих молекул в хлоропластах немного, поэтому АТФ и НАДФ·H₂, образовавшиеся днём, на свету, после захода солнца быстро расходуются в реакциях фиксации углерода. Затем фотосинтез прекращается до рассвета. С восходом солнца вновь начинается синтез АТФ и НАДФ·H₂, а вскоре возобновляется и фиксация углерода.

Итак, в результате фотосинтеза происходит превращение световой энергии в энергию химических связей в молекулах органических веществ. А растения, таким образом, являются посредниками между Космосом и жизнью на Земле”.

Проверка таблицы на слайде.

Уч-ся: взаимопроверка в парах.

Несмотря на пространственную и временную локализацию световой и темновой фаз, они взаимосвязаны между собой. На схеме укажите вещества, посредством которых они связаны.

Уч-ся: выполняют задание.

Ответить на вопрос: идет ли темновая фаза на свету?

Уч-ся: отвечают на вопрос.

Учитель: Итак, в результате фотосинтеза происходит превращение световой энергии в энергию химических связей в молекулах органических веществ. А растения, таким образом, являются посредниками между Космосом и жизнью на Земле”.

Тимирязев К.А. утверждал, что фотосинтез играет космическую роль на планете Земля, согласны ли вы с ним? В чём заключается космическая роль фотосинтеза?

Уч-ся: работают с учебником стр. 39, отвечают на вопросы.

Уч-ся: сверяют ответы.

Космическая роль фотосинтеза:

1) выделение кислорода для дыхания живых организмов,

2) поглощение углекислого газа, поддержание постоянного газового состава,

3) образование органического вещества - пища гетеротрофов,

4) перекачка солнечной энергии из космоса на Землю (энергетические ресурсы – нефть, уголь, торф),

5) образование озонового слоя, защитного экрана от УФЛ.

Учитель: Таким образом, мы можем сделать вывод, что без фотосинтеза живые организмы на земле существовать не могут, это величайший процесс.

Уч-ся: записывают вывод в тетрадь.

Учитель: Подведем итоги урока, для этого вернемся к цели. Нам необходимо было узнать где? как? и для чего проходит фотосинтез? Узнали? (озвучить по слайду), цель выполнена.

Уч-ся: выполняют задание.

Фотосинтез.

Закрепление.

Рефлексия.

Учитель: А теперь представьте такую ситуацию, ваш друг сдаёт экзамен по биологии, и ему попался вопрос о фотосинтезе, как ему помочь? Вы можете отправить ему короткое СМС-сообщение, не более 10 слов, в течение 2-3 минут.

Уч-ся: работают.

Заслушиваем несколько сообщений, оцениваем.

Дополнительное задание.

Уч-ся: выполняют задание.

3. Учитель: Исходя из условий фотосинтеза, предложите меры по увеличению Урожайности.

Уч-ся: записывают в тетрадь.

Меры по увеличению урожайности:

1) Регуляция освещения (спектр),

2) Регулярный полив (температура),

3) Концентрация СО₂ (опилки, баллоны, Н₂СО₃),

4) Минеральное питание.

Домашнее задание: § 10, таблица, подготовиться к тесту.

Подведение итогов урока.