Особенности пластического и энергетического обменов растительной клетки, Биология

Слайд 1Описание слайда:

ОСОБЕННОСТИ ПЛАСТИЧЕСКОГО И ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБМЕНА РАСТИТЕЛЬНОЙ КЛЕТКИ

Слайд 2Описание слайда:

Хлоропласт Внутреннее содержимое – строма – матрикс В матриксе расположены: А) тилакоиды – дисковидные образования Б) ДНК, РНК, рибосомы Совокупность тилакоидов (до 50) образует – граны В гранах располагается хлорофилл

Слайд 3Описание слайда:

Способ питания

Слайд 4Описание слайда:

Фотосинтез – синтез органических соединений, идущий за счет энергии солнечного излучения
6 СО 2 + Н 2О = С 6 Н 12 О6 + 6 О2

Слайд 5Слайд 6Описание слайда:

Световая фаза фотосинтеза фотолиз воды, выделяется кислород, образуется АТФ.

Слайд 7Описание слайда:

Фотолиз – расщепление воды

Слайд 8Описание слайда:

Химиосмос

Слайд 9Описание слайда:

Темновая фаза фотосинтеза Молекулы АТФ и НАДФ* Н. затачивают свою энергию на синтез углеводов, белков, нуклеиновых кислот и др. С 5 + СО 2 + 2 АТФ + 2 НАДФ * Н 2 С 3 + 2 АДФ + 2Ф н + 2 НАДФ + Распад С идет непрерывно – С 3 цикл – цикл Кальвина (1961 г . Нобелевская премия)

Слайд 10Описание слайда:

Хемосинтез – совокупность реакций, в результате которых происходит синтез орг. соединений из неорганических за счет энергии химической реакции окисления. С. Н. Виноградский – первооткрыватель. Бактерии называются хемотрофами

Слайд 11Описание слайда:

Хемотрофы Серобактерии Н 2S-2 → S0 → H 2S -6O 4 Железобактерии Fe 2+ → Fe 3+ Азотобактерии NH 3 → N2 0→ NO 2+4 → NO 3 +6 Высвобожденная энергия используется для синтеза органических в – в

Описание процессов пластического и энергетического обмена в клетке: этапы, различия и примеры

Именно благодаря ему, клетки сохраняют постоянство состава, растут, функционируют, а также обновляются. Процесс этот непростой и состоит из двух видов обмена — пластического и энергетического, которые, в свою очередь, имеют несколько стадий.

Оглавление:

• Энергетический обмен
• Подготовительный этап
• Анаэробное дыхание
• Аэробное дыхание
• Пластический обмен
• Фотосинтез
• Хемосинтез
• Биосинтез белков

В организме непрерывно происходит как расщепление сложных веществ на более простые, так и синтез необходимых соединений из различных элементов.

В результате первого типа реакций, который называется энергетическим обменом, или катаболизмом, тело человека получает необходимую для нормального функционирования энергию.

Но её часть расходуется на создание новых соединений, которые нужны для жизнедеятельности. Такой процесс носит название пластического обмена, или анаболизма.

Это интересно: сколько ног у осьминога, каким образом он передвигается?

Энергетический обмен

Катаболизм, называемый также диссимиляцией, происходит вплоть до того момента, пока все питательные вещества, поступившие в организм, не расщепятся до углекислого газа, воды или других простых соединений, которые уже нельзя использовать.

Этот процесс аналогичен горению, ведь в его результате выделяются те же вещества. Но он происходит с куда большей скоростью и не нуждается в высоких температурах. Кроме того, важным отличием является то, что энергия не переходит в тепловую, чтобы безвозвратно рассеяться, а запасается для дальнейших нужд организма. Это делает процесс невероятно эффективным и уникальным.

Распад веществ для получения организмом энергии — это то, что характеризует энергетический обмен в клетке. Происходит он в несколько стадий:

• подготовительная,
• неполная (анаэробное дыхание),
• аэробное дыхание.

Каждая из этих стадий имеет свои особенности и играет важную роль в метаболизме в целом. Далее будет более подробно рассказано про каждую из них.

Это интересно: цитоплазма функции, химический состав и строение.

Подготовительный этап

Единственная из стадий, которая протекает в желудочно-кишечном тракте. Она заключается в пищеварении, то есть распаде сложных органических соединений на простые.

Распад у сложных организмов осуществляется под действием пищеварительных ферментов, а у одноклеточных — с помощью лизосом.

При этом белки распадаются на аминокислоты, жиры — на алифатические карбоновые кислоты и глицерин, углеводы — на сахариды, нуклеиновые кислоты — на нуклеотиды.

• Обмен белков. Когда белки попадают в организм в составе пищи, они распадаются до аминокислот, которых в организме человека около 20 видов. Часть аминокислот распадается далее до диоксида углерода, который устраняется с дыханием, а также воды и аммиака. Последний с помощью печени превращается в мочевину и выводится из организма вместе с водой. Энергия, которая выделяется при таком распаде, также запасается организмом, но обычно до этой стадии не доходит, поскольку не распавшиеся аминокислоты используются для построения новых белков, необходимых человеку. Особенно полезны в этом смысле животные белки, поскольку растительные проигрывают им по своей ценности.

Это интересно: сколько хромосом у картошки?

• Обмен углеводов. Углеводы — очень важные элементы питания человека. Именно их распад обеспечивает организм самым большим количеством энергии. Она необходима не только для физической, но и для умственной работы. Особый вклад в работу мозга делает глюкоза, попадающая в кровь. Снижение её количества в 2 раза приводит к гибели организма. 150 г — необходимая ежесуточная доза для нормальной работы мозга и мышц, но, конечно, не стоит употреблять слишком много углеводов, поскольку избыток откладывается в организме, что выражается в жировых отложениях.
• Обмен жиров. Разложение растительных и животных жиров до жирных кислот и глицерина, а затем и до воды с углекислым газом обеспечивает организм ещё большей энергией, чем распад углеводов. Липиды также поступают в кровь и обогащают внутренние органы (например, печень, почки), но не подходят для мозговых процессов, вот почему углеводы считаются лучшим источником энергии. Кроме того, избыток липидов также приводит к ожирению, поэтому не стоит употреблять их в количестве, превышающем 80 г в сутки.
• Обмен нуклеиновых кислот. Нуклеопротеиды играют важную роль в хранении наследственной информации, а также контроле метаболизма и его скорости, но не делают в организм какого-либо существенного энергетического вклада. Они распадаются на полипептиды, которые в дальнейшем повторяют процессы, происходящие при обмене белков, описанные выше. Нуклеиновые кислоты распадаются до мононуклеотидов, из которых организм будет строить новые соединения.
• Обмен воды и минералов. Вода — основная составляющая человеческого организма. Её потери необходимо ежедневно компенсировать, выпивая чистую воду и употребляя пищу, богатую этой жидкостью. Вместе с водой и едой в организм поступают макро-, микро- и ультрамикроэлементы.

При всех этих процессах дополнительно выделяется энергия в виде тепла, но не в самых больших количествах. Далее процессы происходят на клеточном уровне.

Это интересно: почему некоторые органоиды клетки называют немембранными?

Анаэробное дыхание

Эта стадия называется также гликолизом применительно к царству животных, или брожением, если имеются в виду растения и микроорганизмы. Весь процесс происходит в цитоплазме клеток за счёт работы ферментов.

Он продолжает предыдущую стадию тем, что из моносахарида, коим является глюкоза, выделяются ещё более простые вещества — спирт и углекислый газ, а также кислоты.

Этот вид обмена универсален для всех организмов и используется даже в повседневной жизни. Поскольку он протекает и в бактериях, его широко применяют в пищевой промышленности: дрожжи производят этиловый спирт, кисломолочные бактерии — молочную кислоту, а животные клетки — пировиноградную. В некоторых микроорганизмах выделяется ацетон и этановая кислота.

  Условные и безусловные рефлексы классификация и виды

При этом также выделяется энергия, часть которой запасается в двух молекулах аденозинтрифосфата (АТФ), и некоторое количество рассеивается с выделением тепла. Но двух молекул АТФ недостаточно для полноценной работы организма, поэтому за анаэробным этапом последует кислородное расщепление.

Аэробное дыхание

Другие названия этого этапа — клеточное дыхание, или кислородное расщепление. Как видно из названия, процесс невозможен без кислорода, который выступает в роли окислителя продуктов распада глюкозы. Помимо кислорода, в работе участвует фосфорная кислота и аденозиндифосфат (АДФ). Под действием ферментов они без повышения температуры моментально сжигают органические вещества до углекислого газа и воды.

Благодаря окислению из одной молекулы вещества (образовавшиеся на предыдущем этапе молочная, пировиноградная кислоты и так далее) клетка получает 18 АТФ, каждая из которых служит мощным источником энергии. Этот этап происходит в митохондриях клетки и является самым важным во всём энергетическом обмене, так как обеспечивает клетку большим количеством АТФ.

Пластический обмен

• Фотосинтез, который свойственен растениям, а также некоторым бактериям. Они называются автотрофами, поскольку способны самостоятельно синтезировать необходимые для жизни органические вещества из неорганических соединений.
• Хемосинтез протекает у бактерий, называемых хемотрофами. И они также могут обеспечивать себя необходимыми органическими соединениями. Для их жизнедеятельности не нужен кислород, они используют диоксид углерода.
• Биосинтез белков осуществляется в живых организмах. К ним относятся и гетеротрофы, которые, в отличие от двух предыдущих упоминаемых форм, неспособны самостоятельно обеспечивать себя органическими веществами, а поэтому получают их с помощью других организмов.

Остановимся на этих процессах более подробно.

Фотосинтез

Процесс, без которого не была бы возможна жизнь на Земле. Многим формам жизни для дыхания нужен кислород взамен выдыхаемого ими в воздух углекислого газа. Этим важным веществом нас обеспечивают растения, в зелёных листьях которых содержатся хлоропласты. Их окружает пара мембран, поскольку внутри хлоропласта в цитоплазме содержатся ценные граны с собственными защитными оболочками. В этих стопках тилакоидов, в свою очередь, присутствует хлорофилл, отвечающий за цвет растения, но главное — делающий процесс фотосинтеза возможным.

  Что такое нервный центр – свойства и физиология ЦНС

Осуществляется он посредством соединения шести молекул углекислого газа с водой, в результате чего образуется глюкоза. Побочным продуктом реакции является жизненно необходимый кислород. Процесс возможен только на свету, при использовании солнечной энергии.

Хемосинтез

Хемосинтез протекает у микроорганизмов, также способных к самостоятельному преобразованию неорганических соединений в органические. К ним относятся:

• железобактерии (окисляют соли железа),
• водородные (молекулы водорода),
• серные (сернистый водород),
• нитрифицирующие (аммиак из гниющих остатков растений),
• тионовые (молекулы серы, а также её соединения в виде солей).

Окисление углекислого газа происходит без участия кислорода, с использованием запасённой ранее энергии. Из диоксида углерода синтезируются органические вещества, необходимые для жизнедеятельности.

Сложный процесс, направленный на разложение попадающих в организм белков на составляющие, из которых впоследствии синтезируются собственные уникальные белки. Состоит из двух стадий.

Транскрипция — процесс, состоящий из трёх этапов (образование транскрипта, процессинг, сплайсинг), которые происходят в ядре клетки. Они направлены на создание информационной РНК (иРНК) из ДНК. В результате новый полимер полностью копирует небольшой участок нити ДНК с той разницей, что тимину в нём эквивалентен урацил.

Трансляция — перенос информации с синтезированной на предыдущем этапе молекулы РНК на строящийся полипептид с указаниями о его будущей структуре. Процесс происходит на рибосомах, расположенных в цитоплазме клетки. Они имеют овальную форму и состоят из частей, которые могут соединяться только при наличии иРНК. Сам перенос информации осуществляется в несколько этапов.

1. Под действием ферментов и при участии АТФ аминокислоты проходят активацию с образованием аминоациладенилата.
2. Аминоксилота связывается с транспортной РНК (тРНК) с выделением аденозинмонофосфата (АМФ).
3. Образованный на предыдущем этапе комплекс объединяется с рибосомой.
4. Аминокислоты подставляются в структуры пептида и освобождают тРНК.

Итак, все вещества, поступающие в живой организм, распределяются в нём так, чтобы приносить ему пользу.

Сложные распадаются с выделением энергии, необходимой для дальнейшей жизнедеятельности (например, выполнение физической или умственной работы человеком), запасаемой в АТФ.

А из простых веществ организм синтезирует новые соединения с использованием энергии, накопившейся в универсальном источнике — молекуле той самой АТФ. При этом энергия не расходуется безвозвратно — она запасается в новых соединениях.

Диссимиляция и ассимиляция в корне отличаются друг от друга, но при этом они неразрывно связаны. Ведь именно катаболизм даёт энергию, без которой невозможен анаболизм, то есть синтез необходимых организму веществ. Вот почему эти два процесса являются очень важными.

Урок Биологии – Урок биологии "Особенности пластического и энергетического обменов в растительной клетке"

• 
• Задачи урока:
• средствами биологии и литературы сформировать преставление об особенностях процесса фотосинтеза;
• продолжить углубление знаний об автотрофном способе питания;
• сформировать понятие о световой и темновой фазах фотосинтеза;
• раскрыть значение данного процесса в биосфере;
• продолжить формирование умения работать со схемами и таблицами;
• развивать способности полноценно воспринимать художественные произведения, эмоционально откликаться на прочитанное, учить чувствовать и понимать образный язык художественного произведения;
• сформировать общую картину мира, показать взаимосвязь между явлениями реальной действительности и его отражением в литературе.
• Оборудование:
• компьютер,
• мультимедийный проектор,
• презентация по теме урока,
• схемы учебника,
• таблицы,
• книги.
• Термины и понятия:
• фотосинтез,
• световая и темновая фаза,
• хлорофилл.
• Ход урока
• Во вступительном слове учитель биологии говорит, что процессы, происходящие в природе, можно изучать не только используя биологические средства обучения, но и литературные знания творчества поэтов и писателей.

Учитель литературы читает стихотворение Ф.И. Тютчева:

Не то, что мните вы, природа: Не слепок, не бездушный лик, В ней есть душа, в ней есть свобода,

В ней есть любовь, в ней есть язык.

Язык природы переводят для нас поэты: живые голоса птиц, шорох леса, шелест сада, шепот ручьев, гул морского прибоя…

Поэзия пытается проникнуть в тот смысл, который природа таит в себе. В русской литературе природа – храм и природа – мастерская не противопоставлены друг другу, молитва и работа – не антиподы. Изображение и воспевание природы в русской поэзии имеет большую историю.

Ни один поэт не обошел этой темы. Божественный, чарующий пейзаж Пушкина, Блок любил свой “соловьиный сад”. Поэзия Есенина выросла под рязанскими небесами. Без пейзажа, без разговора с природой она не может. Лермонтов остро ощущал природу в ее творении, драматичности, в ее бурях.

Тютчев, Фет– признанные мастера лирического пейзажа. А рядом с природой всегда человек со своими переживаниями, чувствами, мыслями.

Каждый поэт ищет гармонии в природе, своей гармонии с ней, потому что именно в этом заключено существование, да что там существование, сама жизнь природы и человека. И, наверное, поэтому Ф.И. Тютчев писал:

Ты связан, съединен от века Союзом кровного родства, Разумный гений человека, С творящей силой естества…, Скажи заветное он слово – И миром новым естество Всегда откликнуться готово

На голос родственный его.

Учитель биологии.

Природа! Как это просто. И как сложно сделать самый малый шаг в ее глубину. Она, казалось бы, раскрыта, иной раз чудится, что идет тебе навстречу.

А в действительности она таится, она не подпускает к себе, противится твоему стремлению познать ее тайны. Но человек беспокоен, и беспокойство его восходит на гребень дерзости.

До такой степени осложнились научные дисциплины, изучающие природу, так несметны их взаимосвязанные циклы, до такой степени дробятся привычные науки, появляются новые.

Мы знаем, что поэты воспевают те красоты природы, которые видят, чувствуют, при этом не задумываются, почему лист зеленый, изменяется, растет. Но зато это видят ученые биологи.

1. И так, ребята, вы, наверное, уже поняли, что речь сегодня пойдет о природе, растениях, о роли их в жизни человека, всего живого на земле.
2. Это красота, ярмарка красок, настроение, источник вдохновения, но это и пища, одежда, здоровье, жилище, кислород, долгожданная прохлада, которую ждет путник в жаркий день в тени крон деревьев.
3. Просмотр фрагмента фильма о пробуждении природы.

Ученик читает стихотворение Н. Заболоцкого “Луч”.

Ученикам предлагается ответить на вопросы:

1. По каким признакам можно судить о том, что растение это живой организм?

2. Какие процессы протекают в жизни зеленых растений?

• После ответов учеников, учитель акцентирует внимание на одном из процессов, происходящих в растениях с которым учащиеся уже знакомились в курсе биологии 6-го класса, процесс фотосинтеза.
• Несколько учеников выступают с сообщениями об истории открытия процесса фотосинтеза, остальные фиксируют основные даты в тетради.
• Тезисы выступления учащихся

1. В 1630 году голландский врач Ян Батист ван Гельмонт обнаружил, что ива, растущая в горшке, за 5 лет увеличила вес на 74 кг, а вес почвы уменьшился на 57 кг. Следовательно, сделал вывод ученый, растение само образует органические вещества.

2. Датой открытия фотосинтеза считают 1771 год. Английский ученый Пристли обратил внимание на изменение состава воздуха вследствие жизнедеятельности животных. В присутствии зеленых растений воздух вновь становится пригодным для дыхания.

3. 1878 год. Процесс поглощения СО2 и воды на свету немецкий ученый Пфеффер назвал фотосинтезом.

4. Механизм фотосинтеза был открыт русским ученым К.А.Тимирязевым.

В начале января 1868 года на I съезде русских естествоиспытателей выступил молодой ботаник К.А. Тимирязев о приборе для исследования воздушного питания листьев, который давал ответ, сколько углекислоты поглотил лист, сколько пищи принял.

Растение питается воздухом – научный факт. Вторая часть сообщения была посвящена выяснению вопроса усваивается ли углекислота в искусственном освещении. Процесс значительно замедляется. К.А.

Тимирязев поставил перед собой задачу выяснить роль хлорофилла в великом процессе создания живого из не живого. В лаборатории Гейдельберского университета он проводил свои опыты. В хлорофилле было обнаружено не большое количество солей железа.

Тимирязев открыл в составе хлорофилла вещество, которое определяет его характерные оптические свойства. Это вещество Тимирязев назвал хлорофилленом.

1. Какие же лучи солнечного спектра вызывают в зеленых частях растений разложение углекислоты (в красном, оранжевом, зеленом).
2. Оказалось, что там, где красный цвет – углекислота поглощается почти полностью.
3. Что же произошло?

Была пища СО2, но эту пищу лист по-разному использовал. Провел еще один опыт.

Поставил растение в темноту, запас крахмала иссяк.

Демонстрация опытов, аналогичных проводимым К.А.Тимирязевым.

Ученикам предлагается лабораторным путем исследовать образовавшееся вещество с помощью йода.

Ученики делают вывод об образовании крахмала, значении CO2 и солнечного света для прохождения фотосинтеза.

Учитель биологии рассказывает о том, что приблизительно 5-7 млрд. лет назад из газов и космической пыли образовались Солнце, Земля и др. планеты. Земля остывала, ее затвердевшую кору окружали газы – аммиак, метан, водород, сероводород и водяной пар. Они образовали первичную атмосферу планеты.

Охлаждаясь, пар выпадал дождями и создавал первичный океан Земли. Именно в верхнем слое приблизительно 4 млрд. лет назад появились первые организмы. По-видимому, они были гетеротрофами. Со временем их количество росло. Только суша была запретной зоной. Причина в этом солнечный свет.

Учитель простит ответить на вопросы: Почему свет губителен? Что представляет собой свет?

Ответы на эти вопросы предлагается дать учащимся после прослушивания сообщения о природе и свойствах света (на данном этапе урока необходима консультация учителя физики или его выступление).

Продолжает учитель биологии, ставя проблему перед учениками. Свет был уже приблизительно 5-7 млрд. лет назад. Какое чудо могло произойти, чтобы направить луч света на созидание?

Чудо, как и положено, было морское, зеленое, имело большую голову и длинный хвост.

Ученик выступает с сообщением молекуле хлорофилла (при подготовке к выступлению необходима консультация с учителем химии).

Чудо появилось в некоторых клетках, состояло из атомов С и N, соединенных в сложное кольцо. Кроме того, в центре кольца находился атом магния – голова, а еще в молекулу входил спирт фитол, включающий цепь из 20 углеродных атомов – хвост (демонстрация таблицы с изображением молекулы хлорофилла). Появление хлорофилла вызвало на земле настоящую биохимическую революцию.

Основной хлорофилл а, его дополняет b и с, а т.ж. каратиноиды – красные, оранжевые или желтые. Все они входят в состав собирающих свет “антенн” и выполняют вспомогательную роль, расширяя спектр поглощаемого при фотосинтезе света.

Учитель биологии задает вопрос о веществах, играющих важную роль в процессе фотосинтеза.

Учитель литературы говорит о том, что природа и поэзия выступает в некоем гармоническом единстве. В поэзии дружность природы заключена огромная сила эмоционального воздействия на сердца людей.

Ученикам предлагается вспомнить стихотворения русских поэтов, где говорится о воде, растениях, о деревьях, где авторы призывают всмотреться в окружающий мир. Когда–то Н.

Рыленков сказал о красоте леса:

Здесь мало увидеть – Здесь нужно всмотреться, Чтоб ясной любовью 

Наполнилось сердце.

Давайте всмотримся в эту красоту. Выступления учеников о красоте леса, растения, воды.

С особенностями процесса фотосинтеза учащиеся знакомятся в ходе рассказа учителя биологии, сопровождаемого мультимедийной презентацией или, работая со схемой в учебнике, заполняя таблицу.

Световая и темновая фазы фотосинтеза

Характеристика	Световая фаза	Темновая фаза
Протекает в
Энергия
Образуются

• Ученики самостоятельно выясняют значение фотосинтеза и решают проблему увеличения интенсивности процесса, работая в группах, используя дополнительную литературу, анализируя текст учебника.
• Возможные ответы учеников 1 группы.
• CH4 +O2—>
• NH3+ O2 —>

Кислород до неузнаваемости изменил атмосферу; метан он превратил в углекислый газ, а окисляя аммиак, обеспечил появление в воздухе огромного количества азота. Воздушная оболочка Земли была плотной, состоящей из кислорода и азота более чем на 80%.

Под действием солнечного света в верхних слоях атмосферы образовался так называемый озоновый слой, или экран, который стал поглощать излучаемый ультрафиолетовый свет. Жизнь начала бурно развиваться в гораздо более безопасной среде. Путь на сушу открылся для множества организмов. Фотолиз воды – лишь один из многих этапов главного процесса, героем которого является хлорофилл.

Этот процесс в последствии назвали фотосинтезом. Благодаря ему, организмы научились за считанные минуты и часы осуществлять то, над чем эволюция планеты трудилась сотни миллионов лет. Им удалось на основе поглощаемого из воздуха СО2 и Н2О с растворенными в ней простыми минеральными соединениями, создавать бесчисленное многообразие органических веществ (крахмал, др.

углеводы, белки, липиды, пигменты, витамины и др.). При этом лучистая солнечная энергия преобразовалась в энергию химических связей. На Земном шаре появилась армия зеленых “счастливчиков” – растений.

1. Увеличивать массу тела и размножаться они могли без помощи, каких – либо других организмов – живых, мертвых или их органических остатков.
2. Круговорот веществ и энергии, вне природы – результат фотосинтетической деятельности зеленых растений.
3. Процесс дыхания, горения стали возможен только после того как возник фотосинтез.
4. Ежегодно в процессе фотосинтеза растениями суши образуется 3,1•1010 тонн органических веществ.
5. Энергия, накапливаемая в процессе фотосинтеза приблизительно в 100 раз больше энергии сгорания всего добываемого в мире за этот период угля.
6. Фотосинтез имеет важное значение и для самого растения.

Согласно расчетам А.А. Нечипоровича в период наиболее активного роста растений, суточный прирост сухого вещества достигает 300-500 кг/га. При этом в течение суток растение усваивает 1-2 кг N, 0,1-0,2 кг Р, 0,8-07 кг К – и до 1000 кг СО2.

Фотосинтез играет важную роль в повышении урожайности. Очень не эффективный процесс (поглощает всего 1% солнечной энергии).

• Дополнительная информация к ответам группы 2
• Как можно увеличить интенсивность процесса фотосинтеза?
• В 1936 году советский ученый Дорохов увеличил урожайность томатов на 20%, огурцов на 37-75%, фасоли на 82%, тепличных растений на 60%.
• Зависимость между фотосинтезом и урожаем далеко не простая.
• Фотосинтез осуществляется только в зеленых клетках, а дыхание во всех.
• Время, втечение которого происходит фотосинтез значительно меньше времени дыхания.
• Для того чтобы происходило накопление сухого вещества, интенсивность фотосинтеза должна превышать интенсивность дыхания в10 раз.
• Общее накопление сухой массы растений зависит от интенсивности фотосинтеза, размеров листовой поверхности и суммы дней вегетационного периода.

Для того, чтобы получить максимальный прирост сухой массы растений необходимо добиваться быстрого развития листовой поверхности в начале вегетационного периода, но чрезмерное развитие листьев нежелательно, так как они затеняют друг друга.

Вместе с тем, листья не только орган фотосинтеза, но и орган транспирации, следовательно, чем больше лист, тем больше испаряется воды. По данным Нечипоровича лучшие результаты, если общая площадь листьев растения приблизительно 30тыс м2/га.

Для пшеницы оптимальная площадь листьев 20-30 тыс. см2/га.

При площади 8 тыс. м2/га урожай – 11,2 ц/га (без полива).

При наличии 2-х поливов площадь листа составляет14,5 тыс. м2/га – 25ц/га.

При 2-х поливах и внесении удобрений площадь листа 25,5 тыс. м2/га-33,6 ц/га.

1. Для закрепления знаний о процессе фотосинтеза, полученных на уроке, учитель биологии предлагает ответить на вопросы теста (лучше, если эта форма работы будет проведена на компьютерах).
2. Тесты для проверки.
3. Выберите правильный ответ

1. В каких органеллах клетки осуществляется процесс фотосинтеза?

а) митохондрии; б) рибосомы; в) хлоропласты;

г) хромопласты.

2. Какие лучи спектра поглощают хлорофилл?

а) красные; б) зеленые;

в) фиолетовые.

3. При расщеплении, какого соединения выделяется свободный кислород при фотосинтезе?

4. Что происходит с АТФ в световую стадию?

а) синтез; б) расщепление.

5. На какой стадии в хлоропласте образуется первичный углевод?

а) световая стадия; б) темновая.

6. Какие растения создают наибольшую биомассу и выделяют большую часть кислорода?

а) споровые; б) семенные;

в) водоросли.

7. В качестве домашнего задания ученикам предлагается решить многовековую загадку процесса фотосинтеза.

• 1) Что было бы хлорофилл не был бы включен в сложной фотосинтетический аппарат?
• 2) По какому пути пошла бы эволюция, если бы вообще не появился хлорофилл?
• Завершает урок учитель литературы

Светлеет грусть, когда цветут цветы Когда брожу я первоцветным лугом Один или с хорошим давним другом Который сам не любит суеты. За нами шум и пыльные хвосты Все улеглось! Одно осталось ясно Что мир устроен грозно и прекрасно,

Что легче там, где поле и цветы.

Н. Рубцов.

Особенности пластического и энергетического обменов растительной клетки. Фотосинтез

Хлоропласты – это утолщенные овальные или круглые образования, расположенные в цитоплазме растительной клетки. В каждой клетке находится 40-50 хлоропластов.

Они покрыты двойной мембраной, а внутри них размещаются плоские мешочки – тилакоиды. В тилакоидах находятся хлорофиллы, переносчики электронов и ферменты, участвующие в световой фазе фотосинтеза, а также АДФ, АТФ, НАДФ+ и НАДФ-Н.

Десятки тилакоидов плотно уложены в стопки, которые называются гранами.

Во внутреннем пространстве между гранами – в строме – размещаются ферменты, участвующие в восстановлении СО2 до глюкозы за счет энергии продуктов световой фазы фотосинтеза – АТФ и НАДФ-Н. Хлоропласты имеют свой собственный генетический аппарат – молекулы ДНК – и автономно воспроизводятся внутри клеток.

Под воздействием солнечного света растения сине-зеленые бактерии и водоросли способны синтезировать органические вещества – углеводы, жиры, белки, нуклеиновые кислоты.

Биосинтез, происходящий при использовании световой энергии, называют фотосинтезом. Организмы, способные к фотосинтезу, называют фотоавтотрофами.

А человек, животные и грибы неспособны синтезировать органические вещества из неорганических соединений, их называют гетеротрофами.

Фотосинтез. Преобразование энергии света в энергию химических связей

Поток солнечных лучей несет волны света разной длины. Растения с помощью молекулы хлорофилла поглощают волны света красной и синей частей спектра. Волны света зеленой части спектра хлорофилл пропускает не задерживая, и поэтому у растений зеленый цвет.

С помощью энергии света электрон в составе хлорофилла переносится на более высокий энергетический уровень. Далее этот высокоэнергетический электрон, как по ступенькам, перескакивает по цепи переносчиков электронов, теряя энергию.

Энергия электронов при этом расходуется на «зарядку» своего рода биологических «аккумуляторов» – АТФ. При передаче электроном своей энергии к АДФ присоединяется еще один фосфат: АДФ + Ф → АТФ.

При расщеплении АТФ ферментом аденозинтрифосфатазой (АТФазой) концевой фосфат отщепляется и освобождается энергия:

В растительной клетке АТФ используется для транспорта воды и солей, для деления клеток, роста и движения, для синтеза в растениях молекул глюкозы, крахмала, целлюлозы и иных органических соединений. Однако для синтеза в растениях органических веществ необходим еще один биологический «аккумулятор», запасающий энергию света НАДФ-Н.

Потерявшая энергию окисленная форма этого соединения представляет собой НАДФ+ («над-эф-плюс»). Теряя один атом водорода и один электрон, НАДФ-Н превращается в НАДФ+ и восстанавливает углекислый газ (при участии молекул воды) до глюкозы С6Н1206; недостающие протоны (Н+) берутся из водной среды.

Этот процесс можно записать в виде химического уравнения:

Однако при смешивании углекислого газа и воды глюкоза не образуется. Для этого нужна не только НАДФ-Н, но и энергия АТФ и соединение, связывающее СО2, которое используется на этапах синтеза глюкозы, а также ряд ферментов – биологических катализаторов этого процесса.

Фотолиз воды. Энергия света расходуется также на расщепление молекулы воды – фотолиз (реакция Роберта Хилла). При этом образуются протоны (Н+), электроны и свободный кислород:

Электроны, образующиеся при фотолизе, восполняют потери их хлорофиллом. Часть электронов при участии протонов восстанавливает НАДФ+ до НАДФ-Н. Кислород – побочный продукт этой реакции.

Когда растения используют энергию солнечного света, кислород им не нужен. Однако в отсутствие солнечного освещения растения становятся аэробами.

В ночной темноте они потребляют кислород и окисляют запасенные днем глюкозу, фруктозу, крахмал и другие соединения, уподобляясь в этом животным.

Световая и темновая фазы фотосинтеза. В процессе фотосинтеза различают световую и темновую фазы.

В световой фазе энергия света преобразуется в энергию химических связей АТФ и НАДФ-Н, и происходит фотолиз воды.

В темновой фазе с участием АТФ и НАДФ происходит восстановление CO2 до глюкозы (C6H12O6). Хотя свет не требуется для осуществления данного процесса, он участвует в его регуляции.

Урок 3: Жизнь растительной клетки

• План урока:
• Обмен энергии и веществ в клетке растений
• Как вещества проходят из клетки и внутрь неё?
• Циркуляция цитоплазмы
• Рост и развитие клетки растений
• Клеточное деление
• Как клетки реагируют на окружающую среду и общаются?

Обмен энергии и веществ в клетке растений

Это основное свойство живых организмов. Обмен веществ и энергии, или метаболизм (греч. «изменение», «превращение») включает в себя такие основные процессы клеточного уровня, как производство (биосинтез) белков и липидов, фотосинтез и дыхание.

Он делится на два противоположных, но взаимозависимых процесса: катаболизм, в результате которого сложные вещества разлагаются на простые с выделением энергии и анаболизм – производство сложных, свойственных данному организму веществ, сопровождающееся затратой энергии.

Рассмотрим подробнее, какие процессы обеспечивают обмен веществ и превращение энергии в клетке растений.

Катаболизм у растений

Дыхание клетки – общее свойство всех организмов. Только дышат они разными веществами. Растения дышат кислородом, такие организмы называют аэробами. В цитоплазме и органеллах («органах дыхания» клетки) митохондриях происходит последовательное расщепление глюкозы.

В митохондриях у многих организмов, в том числе и у растений, этот процесс происходит при участии кислорода и называется он окислением, или дыханием клетки.

При этом чаще глюкоза, реже белки и липиды, разлагается до минимальных продуктов: воды и углекислого газа, при этом происходит накопление и запасание энергии химических связей.

Процесс дыхания клетки растений происходит и ночью и днём. Значит, они тоже поглощают кислород и выделяют углекислый газ. Универсальным источником энергии у всех живых организмов являются молекулы АТФ. Они легко расстаются с остатками фосфорной кислоты и при этом вырабатывают много энергии. А она необходима для большинства жизненных процессов клетки.

Световая фаза фотосинтеза тоже относится к катаболизму. Она проходит только на свету. В это время в хлоропластах листьев происходит разложение воды, запасание энергии солнца в виде энергии химических связей и некоторые другие процессы. А запасённые продукты участвуют во второй (темновой) фазе фотосинтеза, которая уже относится к анаболизму.

В клетке также разбираются ненужные, вредные (попавшие через плазмолемму бактерии), ошибочные, нерабочие или лишние макромолекулы и элементы самой клетки, которые неспособны делать свою работу. Переваривание больших сложных молекул происходит в лизосомах – пузырьках, наполненных ферментами.

Анаболизм у растительной клетки

Другие названия этой части обмена веществ – биосинтез, пластический обмен, ассимиляция. В растительной клетке собираются все органические вещества. Синтез белков происходит в рибосомах, большая часть которых расположена на эндоплазматической сети. Помните строение клетки, мы изучали его на прошлом уроке.

Производство нужных клетке и всему организму белков проходит одинаково в клетках всех царств живой природы. Сахара производятся в хлоропластах в процессе фотосинтеза. Поэтому по типу питания клетки растений являются автотрофами.

Кроме первичных метаболитов (производимых веществ), непосредственно нужных для жизни, клетки производят много вторичных веществ, которые есть не во всех тканях.

Вторичные метаболиты

Учёные открыли 45 000 веществ, синтезируемых специально предназначенными для этого клетками. Они нужны растению для общения со средой и защиты. Например, для самозащиты от вызывающих болезни бактерий и вирусов, травоядных животных они выделяют отпугивающие и ядовитые секреты, для привлечения животных – ароматные летучие вещества. Вот несколько примеров таких веществ:

• эфирные масла обладают свойством убивать бактерий и отпугивать фитофагов. Они появляются в железистых волосках листьев перечной мяты, лимона. Главная часть эфирных масел – это терпены. Хлопчатнику, кукурузе и другим растениям они нужны для привлечения хищных насекомых, которые поедают напавших на растения членистоногих;
• липкие пищеварительные секреты, содержащие ферменты, у хищных растений;

• яды. Всем известны ядовитые растения: анчар, клещевина, ландыш, вороний глаз. Но мало кто знает, что яд есть в семенах яблони, вишни, персика, миндаля и многих других растений. Есть животные, которые в результате эволюции приспособились поедать и токсичные растения. И после этого они сами становятся ядовитыми. Например, бабочка монарх питается растениями семейства молочайных и накапливает в своём теле их токсины, поэтому птицы её не едят. Монотерпены хвойных находятся в смоле, они ядовиты для насекомых, в том числе и для злейших врагов деревьев короедов;
• клетки молочайных производят форболовый эфир, который не только очень ядовит, если попадает в пищеварительную систему млекопитающих, но и вызывает раздражение кожи при проникновении на её поверхность.

• каучук есть у многих растений, но наибольшее его количество находится в млечниках бразильской гевеи, манихота и фикуса.
• фенолы (ароматические вещества) нужны растениям для привлечения опылителей и животных, распространяющих их семена.
• для этой же цели служат и красящие вещества – антоцианы, находящиеся в лепестках цветов и частях побегов.

Темновая фаза фотосинтеза – питание клетки растений

Фотосинтез ещё называют воздушным питанием растения. Хотя во многих школьных определениях говорится, что он проходит только на свету, это не совсем точно. Первая фаза фотосинтеза действительно запасает энергию Солнца, она не может проходить в темноте.

Вторая фаза может проходить в отсутствии света, в ней используются уже запасённые в первый этап вещества.

В результате множества химических реакций в хлоропластах синтезируются углеводы с использованием тех продуктов, которые были запасены во время световой фазы и поступили из внешней среды: энергии АТФ, атомов водорода и молекул углекислого газа.

Кроме воздушного, у растений есть и другой способ питания клетки – минеральный. У высших растений корни всасывают воду с растворёнными минеральными солями и клетки ксилемы доставляют её ко всем частям растения. У низших растений – водорослей, питание клеток организма минералами и водой осуществляется всей поверхностью тела.

Они участвуют во всех жизненных процессах растений, например, вода, магний и марганец нужны для фотосинтеза. Магний входит в состав хлорофилла и участвует в реакциях его образования. При недостатке этого элемента, листья растения желтеют, потому что в них разрушается хлорофилл.

Марганец путём активации ферментов регулирует белково-углеводный обмен, дыхание и фотосинтез.

Как вещества проходят из клетки и внутрь неё?

Для жизни клетке нужны многие вещества: вода, минералы, газы, органические вещества и их «строительные частички». Они проходят в неё через плазмолемму, которая не является полностью непроницаемой.

Проходимость веществ зависит от химических и физических свойств мембраны и самих молекул и ионов, проходящих через неё.

Из клетки выходят произведённые в ней гормоны, ферменты и другие вещества белкового и липидного происхождения, а также ненужные и вредные молекулы и ионы.

Как проходит через плазмолемму молекула воды?

Вода в клетке участвует во многих процессах. Она разлагается в ходе фотосинтеза с образованием иона водорода, который участвует в производстве сахаров. В воде протекают все химические реакции, необходимые для жизни организма. Она наполняет вакуоль и цитозоль, тем самым поддерживая форму клетки при помощи тургорного давления.

Вода через плазмолемму проходит легко, прямым объёмным потоком и по законам физики: от места с большей концентрацией молекул к стороне с меньшей их концентрацией (по градиенту). Такой процесс называется диффузией, при этом вода проходит через мембранные поры.

Распространённый пример: разбрызгивание духов в одной части комнаты и заполнение их запахом всей комнаты даже при неподвижности воздуха в ней. Или вспомните, как вы обмакивали грязную кисточку в стакан с водой. В одном месте опустили, а краска «расползлась» по всей жидкости.

Молекулы поступают с той стороны, на которой их концентрация выше.

Другой способ прохождения воды называется осмосом. Он заключается в том, что жидкость проходит в ту сторону, на которой расположена вода с большей концентрацией каких-либо ионов, или солей. Это явление приносит немало проблем многим одноклеточным, особенно обитающим в воде.

У эвглены, живущей в пресных водоёмах, внутри клетки водный раствор более «солёный», чем вода снаружи. Поэтому вода стремится внутрь клетки. Если её будет слишком много, она разбавит содержимое цитоплазмы или приведёт к разрыву плазмолеммы.

Чтобы спастись, эвглена постоянно удаляет избыток воды при помощи сократительной вакуоли.

Прохождение кислорода и углекислого газа через мембрану

Кислород как остаточный продукт удаляется из клетки в результате фотосинтеза. Он нужен клетке для дыхания, поэтому он постоянно проходит как внутрь, так и наружу. Так же движется и углекислый газ. Клетке он нужен для фотосинтеза, а образуется при дыхании и удаляется.

Кислород и углекислый газ – незаряженные и очень мелкие молекулы, они растворяются в липидах, а плазмалемма из них и состоит, поэтому эти газы проходит сквозь неё легко, способом простой диффузии и при помощи белков-переносчиков. На скорость их прохождения влияет только степень концентрации такого же газа на противоположной стороне мембраны.

Заряженные полярные молекулы проходят через плазмолемму против градиента, при помощи погружённых в мембрану транспортных белков с затратой энергии.

Выделение веществ из клетки

Клетки растений секретируют и выделяют вещества, нужные им для привлечения опылителей, отпугивания животных или защиты от испарения воды (вторичные метаболиты). Такие секреторные клетки расположены в железистых волосках, нектарниках, млечниках, гидатодах. Они выделяются через устьица на покровной кожице растения.

Избыточные или ненужные продукты клетка растений накапливает в вакуолях или собирает в везикулы (секреторные пузырьки) и удаляет за пределы протопласта через плазмолемму. Они проходят через неё путём фагоцитоза и пиноцитоза.

Циркуляция цитоплазмы

Её научное название: циклоз. Значение движения цитоплазмы очень велико. В растительных клетках он помогает передвижению всех нужных веществ к её частям. Под микроскопом это можно наблюдать по перемещению органелл, но внутренняя структура клетки при этом сохраняется. Движение цитоплазмы в клетке обеспечивают микротрубочки и микрофиламенты цитоскелета, затрачивая энергию АТФ.

Хлоропласты используют это движение, чтобы найти наиболее подходящее место по отношению к свету, а пузырьки с веществами, чтобы передвинуться поближе к плазмолемме и выйти за пределы клетки. Скорость циклоза зависит от освещения, температуры, количества необходимого кислорода.

Рост и развитие клетки растений

Клетка растений родятся в образовательной ткани. Там они все внешне одинаковые. Различаются химическим составом, особенностями строения ядер и органелл. В маленьких клетках все части мелкие, недоразвитые. В митохондриях не развиты кристы, ядро мелкое с крупным ядрышком, много небольших вакуолей, рибосомы не прикреплены к эндоплазматической сети.

С возрастом клетка растений растёт – увеличивается в размере за счёт растяжения и увеличения центральной вакуоли при слиянии мелких пузырьков. И развивается. Процесс развития клетки сопровождается изменением, превращением в часть какой-либо ткани растения.

Она становится либо одной из покровных клеток, либо проводящих с толстыми стенками и без ядра и т.д.

В ней дозревают хлоропласты и митохондрии, большинство рибосом прикрепляются к ЭПС, утолщается клеточная оболочка, клетка теряет способность к делению и становится частью ткани организма.

Клеточное деление

У растений, как и у всех эукариот, существует 2 типа непрямого (с образованием веретена) деления клеток: неполовых (митоз) и половых (мейоз).

Размножение неполовых клеток у растений происходит только в определённых местах, в образовательной ткани, расположенной в верхушках побегов, в основании листьев, в узлах злаков, в верхушке корня и под корой – в камбии.

Деление половых клеток бывает в пестиках и тычинках или в других специальных образованиях растений.

При митозе из одной клетки получается две. Они такие же, как и та, из которой они образовались. Митоз у растений отличается от такого же деления у других организмов.

1. Интерфаза – период между делениями. В ней происходят процессы обмена веществ и энергии, т. е. жизнедеятельность клетки. А также подготовка к делению – удвоение ДНК, накопление веществ и энергии.
2. Митоз – само деление.
   1. Препрофаза – этап деления, характерный только для растительной клетки. В него происходит образование под плазмолеммой кольца из микротрубочек. Оно называется препрофазной лентой. Так как в клетках растений нет клеточного центра с центриолями, то их заменяет препрофазная лента. Она будет участвовать в образовании веретена деления и растягивании хромосом.
   2. Профаза. В процессе этого этапа деления клетки белки и хроматин скручиваются в хромосомы и становятся заметными под микроскопом. Оболочка ядрышка разрушается, начинает образовываться веретено деления.
   3. Прометафаза. В её начале растворяются мембраны ядра, хромосомы движутся к экватору клетки.
   4. Метафаза. В ней хромосомы становятся примерно на одинаковом расстоянии от полюсов, нити присоединяются к пояскам хромосом.
   5. Анафаза характеризуется растягиванием частей хромосом – хроматид к верхнему и нижнему краям клетки.
   6. Телофаза. В ней происходит растворение хроматина и становятся невидимыми под микроскопом, образуются ядра у каждого из полюсов клетки, заканчивается формирование клеточной перегородки, или пластинки (фрагмопласта у высших растений и некоторых водорослей и фикопласта у других водорослей), разделяющей материнскую клетку на две дочерние. Недостающие органоиды достраиваются.

Митоз в клетке растений

Как клетки реагируют на окружающую среду и общаются?

Растения реагируют на свет и звуки, общаются между собой при помощи химических веществ, передавая их через воздух и почву.

Если в клетки проникают патогенные бактерии, то в них начинает выделяться биохимическое оружие, клетки корня растения «договариваются» с грибными гифами о совместной взаимовыгодной жизни – симбиозе.

За общение клеток отвечает белок MICU, который настраивает ионы кальция, выполняющие основную работу по передаче сигналов. Клетки растений соединены тяжами цитоплазмы (плазмодесмами), по ним вещества и поступают из клетки в клетку. То есть происходит обмен веществ между клетками.