Учитель :

Школа:

Район:

Предмет: биология

Класс: 10

Тип урок: Урок –ролевая игра с использование ИКТ.

Цель урока:

Углубить знания учащихся о неклеточных формах жизни;

и заражение вирусом СПИДа.

Задачи урока:

Представление возможности учащимся объединятся по интересам, обеспечивать разнообразие ролевой деятельности; расширить умение работать с дополнительной литературой и материалами Интернета; воспитывать чувство коллективизма; формирование надпредметной компетенции.

Время: 1 ч

Телефон: 72-1- 16

Оборудование: компьютер, проектор, экран, дидактические материалы.

Подготовительный этап:

За неделю до урока из учащихся класса формируют ролевые группы «биологов», «историков», «инфекционистов» и предлагают найти соответствующий материал о неклеточных формах жизни для отчета групп. Учитель предлагает им необходимую литературу и средства Интернета.

Ход урока:

Организационный момент (1 мин)

Проверка д/з.- разноуровневая тестированная работа

Тест №1

1)Гликолиз- это процесс расщеплени я :

А) белков на аминокислоты;

Б) липидов на высшие карбоновые кислоты и глицерин;

2)Брожение – это процесс :

А) Расщепление органических веществ в анаэробных условиях;

Б) Окисление глюкозы;

В) Синтез АТФ в митохондриях;

Г) Превращение глюкозы в гликоген.

3)Ассимиляция – это:

А) Образование веществ с использованием энергии;

Б) Распад веществ с выделением энергии.

4) Расположите этапы энергетического обмена углеводов по порядку:

А- клеточное дыхание;

Б- гликолиз;

В-подготовительный.

5) Что такое фосфорилирование ?

А) Образование АТФ;

Б) Образование молекул молочной кислоты;

В)Распад молекул молочной кислоты .

Тест №2

1)Где происходят первый и второй этапы расщепления высокомолекулярных соединений: А) цитоплазме; Б)митохондриях: В)лизосомах Г)комплексе Гольджи.

2) В клетках каких организмов происходит спиртовое брожение :

А) животных и растений; Б) растений и грибов.

3)Энергетическим эффектом гликолиза является образование

2 молекул:

А) молочной кислоты; Б) пировиноградной кислоты; В)АТФ;

Г) этилового спирта.

4)Почему диссимиляция называется энергическим обменом?

А) поглощается энергия; Б) Выделяется энергия.

5)Что входит в состав рибосом?

А) ДНК; Б) липиды;В) РНК; Г) белки.

Тест №3

1)В чем отличие энергетического обмена у аэробов и анаэробов?

А)- отсутствие подготовительного этапа; Б)отсутствие бескислородного расщепления;в) отсутствие клеточного этапа.

2)Какой из этапов энергетического обмена происходит в митохондриях?

А- подготовительный Б- гликолиз; В-клеточное дыхание

3)какие органические вещества редко расходуются для получения энергии в клетке:

А-белки; Б-жиры;

4)В каких органоидах клетки происходит распад органических веществ:

А-рибосомы Б- лизосомы;В-ядре.

5)Откуда берется энергия для синтеза АТФ из АДФ?

А)- в процессе ассимиляции;Б) – в процессе диссимиляции.

Самоконтроль. Слайд №2

Актуализация знаний .

Что мы знаем о формах жизни на земле?

Что мы знаем о неклеточных формах жизни?

Зачем нам нужны эти знания?

4. Представление плана и цели работы.

Слайд№3,4

5. Операционно-исполнительский.

Работа первичных групп

а) Выступление гр. «историки» с информацией об открытии

вирусов. Слайд №5

б) Выступление гр, «биологи» с информацией о строении вирусной частицы, о делении вирусов на РНК- и ДНК- содержащие, о строении бактериофага.Слайды №6,7,13

в) Объяснение учителем способа размноженья вирусов, уч-ся работают с тетрадью. Слайд №11

г) Выступление гр. «инфекционисты» с сообщением об инфекционных болезнях человека, животных и растений, вызываемыми вирусами. Слайды № 8,9,10

д) рассказ учителя об опасности заражения вирусом СПИДа. Слайд №12,14

Работа вторичных групп

Ребята формируют группы нового состава. И каждая группа

ищет ответ на предложенный ей вопрос или проблемную задачу. Например: Найдите отличие вирусов от неживой материи? Найдите отличие вирусов от живой материи?

С какой целью во время вирусного заболевания назначают антибиотики?

6. Рефлексивно- оценочный.

Проверка работы групп;Слайд№15

Выполнение теста;

Проверь себя

1 Вирусы бактерий ____________

2 Фермент ревертаза присутствует у вируса ________

3Оболочка вируса ______________

4 Свободноживущая форма вируса _____________

5 Количество нуклеиновых кислот в клетках вируса _

6 Вирусы каких организмов не описаны __________

7 Вирусныеболезни____________________________

Взаимоконтроль.

7.Подведение итогов урока

8.Творческое домашнее задание

- составление кроссворда;

Составление кластера по данной теме.

Источники информации

Н. В. Чебышев Биология новейший справочник.М-2007 г.

http //schols .keldysh .ru /scyooll 11413/bio /viltgzh /str 2.htm

Спиртовое брожение лежит в основе приготовления любого алкогольного напитка. Это самый простой и доступный способ получить этиловый спирт. Второй метод – гидратация этилена, является синтетическим, применяется редко и только в производстве водки. Мы рассмотрим особенности и условия брожения, чтобы лучше понять, как сахар превращается спирт. С практической точки эти знания помогут создать оптимальную среду для дрожжей – правильно поставить брагу, вино или пиво.

Спиртовое брожение – это процесс превращения дрожжами глюкозы в этиловый спирт и углекислый газ в анаэробной (бескислородной) среде. Уравнение следующее:

C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2.

В результате одна молекула глюкозы превращается в 2 молекулы этилового спирта и 2 молекулы углекислого газа. При этом происходит выделение энергии, что приводит к незначительному повышению температуры среды. Также в процессе брожения образуются сивушные масла: бутиловый, амиловый, изоамиловый, изобутиловый и другие спирты, которые являются побочными продуктами обмена аминокислот. Во многом сивушные масла формируют аромат и вкус напитка, но большинство из них вредны для человеческого организма, поэтому производители стараются очистить спиртное от вредных сивушных масел, но оставить полезные.

Дрожжи – это одноклеточные грибы шарообразной формы (около 1500 видов), активно развивающиеся в жидкой или полужидкой среде богатой сахарами: на поверхности плодов и листьев, в нектаре цветов, мертвой фитомассе и даже почве.

Это одни из самых первых организмов, «прирученных» человеком, в основном дрожжи используются для выпечки хлеба и приготовления спиртных напитков. Археологами установлено, что древние египтяне за 6000 лет до н. э. научились делать пиво, а к 1200 году до н. э. освоили выпечку дрожжевого хлеба.

Научное исследование природы брожения началось в XIX веке, первыми химическую формулу предложили Ж. Гей-Люссак и А. Лавуазье, но осталась неясной сущность процесса, возникло две теории. Немецкий ученый Юстус фон Либих предполагал, что брожение имеет механическую природу – колебания молекул живых организмов передаются сахару, который расщепляется на спирт и углекислый газ. В свою очередь, Луи Пастер считал, что в основе процесса брожения биологическая природа – при достижении определенных условий дрожжи начинают перерабатывать сахар в спирт. Пастеру опытным путем удалось доказать свою гипотезу, позже биологическую природу брожения подтвердили другие ученые.

Русское слово «дрожжи» происходит от старославянского глагола «drozgati», что значит «давить» или «месить», прослеживается явная связь с выпечкой хлеба. В свою очередь, английское название дрожжей «yeast» восходит от староанглийских слов «gist» и «gyst», которые значат «пена», «выделять газ» и «кипеть», что ближе к винокурению.

В качестве сырья для спирта используют сахар, сахаросодержащие продукты (в основном фрукты и ягоды), а также крахмалосодержащее сырье: зерно и картофель. Проблема в том, что дрожжи не могут сбродить крахмал, поэтому сначала нужно расщепить его до простых сахаров, это делается ферментом – амилазой. Амилаза содержится в солоде – пророщенном зерне, и активируется при высокой температуре (обычно 60-72 °C), а сам процесс преобразования крахмала до простых сахаров называется «осахариванием». Осахаривание солодом («горячее») можно заменить внесением синтетических ферментов, при котором не нужно нагревать сусло, поэтому метод называется «холодным» осахариванием.

Условия брожения

На развитие дрожжей и ход брожения влияют следующие факторы: концентрация сахара, температура и свет, кислотность среды и наличие микроэлементов, содержание спирта, доступ кислорода.

1. Концентрация сахара. Для большинства рас дрожжей оптимальная сахаристость сусла составляет 10-15%. При концентрации выше 20% брожение ослабевает, а при 30-35% почти гарантированно прекращается, поскольку сахар становится консервантом, препятствующим работе дрожжей.

Интересно, что при сахаристости среды ниже 10% брожение тоже протекает слабо, но прежде чем подслащать сусло, нужно помнить о максимальной концентрации спирта (4-й пункт), полученного в ходе брожения.

2. Температура и свет. Для большинства штаммов дрожжей оптимальная температура брожения – 20-26 °C (пивным дрожжам низового брожения требуется 5-10 °C). Допустимый диапазон – 18-30 °C. При более низких температурах брожение существенно замедляется, а при значениях ниже нуля процесс останавливается и дрожжи «засыпают» — впадают в анабиоз. Для возобновления брожения достаточно поднять температуру.

Слишком высокая температура уничтожает дрожжи. Порог выносливости зависит от штамма. В общем случае опасными считаются значения выше 30-32 °C (особенно для винных и пивных), однако существуют отдельные расы спиртовых дрожжей, способные выдержать температуру сусла до 60 °C. Если дрожжи «сварились», для возобновления брожения придется добавить в сусло новую партию.

Процесс брожения сам по себе вызывает повышение температуры на несколько градусов – чем больше объем сусла и активнее работа дрожжей, тем сильнее нагрев. На практике коррекцию температуры делают, если объем больше 20 литров – достаточно держать температуру ниже 3-4 градусов от верхней границы.

Емкость оставляют в темном месте или накрывают плотной тканью. Отсутствие прямых солнечных лучей позволяет избежать перегрева и позитивно сказывается на работе дрожжей – грибки не любят солнечного света.

3. Кислотность среды и наличие микроэлементов. Среда кислотностью 4.0-4.5 рН способствует спиртовому брожению и подавляет развитие сторонних микроорганизмов. В щелочной среде выделяются глицерин и уксусная кислота. В нейтральном сусле брожение протекает нормально, но активно развиваются патогенные бактерии. Кислотность сусла корректируют перед внесением дрожжей. Зачастую винокуры-любители повышают кислотность лимонной кислотой или любым кислым соком, а для снижения гасят сусло мелом или разбавляют водой.

Кроме сахара и воды дрожжам требуются другие вещества – в первую очередь это азот, фосфор и витамины. Эти микроэлементы дрожжи используют для синтеза аминокислот, входящих в состав их белка, а также для размножения на начальном этапе брожения. Проблема в том, что в домашних условиях точно определить концентрацию веществ не получится, а превышение допустимых значений может негативно сказаться на вкусе напитка (особенно это касается вина). Поэтому предполагается, что крахмалосодержащее и фруктовое сырье изначально содержит требуемое количество витаминов, азота и фосфора. Обычно подкармливают только брагу из чистого сахара.

4. Содержание спирта. С одной стороны, этиловый спирт – продукт жизнедеятельности дрожжей, с другой – это сильный токсин для дрожжевых грибков. При концентрации спирта в сусле 3-4% брожение замедляется, этанол начинает тормозить развитие дрожжей, при 7-8% дрожжи уже не размножаются, а при 10-14% перестают перерабатывать сахар – брожение прекращается. Только отдельные штаммы культурных дрожжей, выведенных в лабораторных условиях, толерантны к концентрации спирта выше 14% (некоторые продолжают брожение даже при 18% и выше). Из 1% сахара в сусле получается около 0.6% спирта. Это значит, что для получения 12% спирта требуется раствор с содержанием сахара 20% (20 × 0.6 = 12).

5. Доступ кислорода. В анаэробной среде (без доступа кислорода) дрожжи нацелены на выживание, а не размножение. Именно в таком состоянии выделяется максимум алкоголя, поэтому в большинстве случаев нужно оградить сусло от доступа воздуха и одновременно организовать отвод углекислого газа с емкости, чтобы избежать повышенного давления. Эта задача решается путем установки гидрозатвора.

При постоянном контакте сусла с воздухом возникает опасность скисания. В самом начале, когда брожение активное, выделяющийся углекислый газ выталкивает воздух от поверхности сусла. Но в конце, когда брожение ослабевает и углекислоты появляется всё меньше, воздух попадает в незакрытую емкость с суслом. Под воздействием кислорода активируются уксуснокислые бактерии, которые начинают перерабатывать этиловый спирт на уксусную кислоту и воду, что приводит к порче вина, снижению выхода самогона и появлению у напитков кислого привкуса. Поэтому так важно закрыть емкость гидрозатвором.

Однако для размножения дрожжей (достижения оптимального их количества) требуется кислород. Обычного достаточно той концентрации, что находится в воде, но для ускоренного размножения брагу после внесения дрожжей оставляют на несколько часов открытой (с доступом воздуха) и несколько раз перемешивают.

Брожение основано на гликолитическом пути распада углеводов. Различают: гомоферментативное молочнокислое (ГФМ), спиртовое, пропионовое, маслянокислое, ацетонобутиловое.
Брожение - это эволюционно самый древний и примитивный путь получения энергии бактериальной клеткой. АТФ образуется в результате окисления органического субстрата по механизму субстратного фосфорилирования. Брожение происходит в анаэробных условиях. Примитивность брожения объясняется тем, что при брожении происходит расщепление субстрата не полностью, а образованные в ходе брожения вещества (спирты, органические кислоты и т.д.) содержат внутренние запасы энергии.
Количество выделенной энергии при брожении незначительно 1 г/моль глюкозы эквивалентен2 - 4 молекулам АТФ. Микроорганизмы бродящего типа вынуждены интенсивнее збраживать субстрат, чтобы обеспечить себя энергией. Основная проблема брожения - решение донорно-акцепторных связей. Донорами электронов являются органические субстраты, а акцептором электронов, который определяет судьбу брожения представляет основную задачу. Конечный продукт брожения дает название виду данного процесса.

Химизм процесса брожения

В процессе брожения в условиях анаэробиоза в центре находится проблема выработки энергии при расщеплении углеводов. Основным механизмом является гликолитический путь распада (Эмбдена - Мейергоффа - Парнаса, гексозо-дифосфатный путь). Этот путь наиболее распространен, существую 2 гликолитических пути, которые встречаются в меньшей степени: окислительный пентозо-фосфатный путь (Варбурга - Диккенса - Хорекера), путь Энтнера - Дударова (КДФГ-путь).
Следует обратить вимание, что все эти механизмы нельзя рассматривать как брожение, так как они лежат в основе дыхания. Брожение начинается тогда, когда происходит утилизация оторвавшегося от субстрата протона или электрона и присоединения на акцептор.
ГЛИКОЛИЗ
Глюкоза под действием гексаминазы фосфорилируется в положении 6 - превращается в глюкозо-6-фосфат - метаболически более активную форму глюкозы. Донором фосфата выступает молекула АТФ.Глюкоза-6-фосфат изомеризуется в фруктозо-6-фосфат. Реакция обратима, уровень присутствия 2 веществ в зоне реакции одинаков.Фруктоза-6-фосфат присоединяет фосфатную группу к первому атому С и превращается в фруктоза-1,6-дифосфат. Реакции идёт с затратой энергии АТФ и катализируется фруктозо-1,6-дифосфат альдолазой (основной регуляторный фермент гликолиза).
Фруктозо-1,6-дифосфат расщепляется на 2 фосфотриозы триозофосфатизомеразой. В результате образуются 2 триозы:фосфодиоксиацетон и 3-фосглицеральдегид (3-ФГА). Эти 2 триозы могут изомеризоваться одна в другую и проходить трансформацию до пирувата по одинаковому механизму. Это восстановительный этап (идёт с выработкой энергии).

Гликолиз
Гексокиназа
Глюкозо-6-фосфатизомераза
6-Фосфофруктокиназа
Альдолаза
Триозофосфатизомераза
Гліцеральдегидфосфатдегидрогеназа
Фосфоглицераткиназа
Фосфоглицеромутаза
Енолаза
Пируваткиназа
Произошло образование 3-ФГК. Теперь можно подвести некоторые итоги. Клетка на этом этапе "вернула" свои энергетические затраты: 2 молекулы АТФ были затрачены и 2 молекулы АТФ синтезировались на 1 молекулу глюкозы. На этом же этапе в реакции окисления 3-ФГА до 1,3-ФГК и образования АТФ имеет место первое субстратное фосфорилирование. Энергия освобождается и запасается в макроэргических фосфатных связях АТФ в процессе перестройки сбраживаемого субстрата при участии ферментов. Первое субстратное фосфорилирование носит еще название фосфорилирования на уровне 3-ФГА. После образования 3-ФГК фосфатная группа из третьего положения переносится во второе. Далее происходит отщепление молекулы воды от второго и третьего атомов углерода 2-ФГК, катализируемое ферментом энолазой, и образуется фосфоенолпировиноградная кислота. В результате происшедшей дегидратации молекулы 2-ФГК степень окисления ее второго углеродного атома увеличивается, а третьего — уменьшается. Дегидратация молекулы 2-ФГК, приводящая к образованию ФЕП, сопровождается перераспределением энергии внутри молекулы, в результате чего фосфатная связь у второго углеродного атома из низкоэнергетической в молекуле 2-ФГК превращается в высокоэнергетическую в молекуле ФЕП. Молекула ФЕП становится донором богатой энергией фосфатной группы, которая переносится на АДФ с помощью фермента пируваткиназы. Таким образом, в процессе превращения 2-ФГК в пировиноградную кислоту имеет место высвобождение энергии и запасание ее в молекуле АТФ. Это второе субстратное фосфорилирование. В результате внутримолекулярного окислительно-восстановительного процесса одна молекула и донирует и акцептирует электроны. В процессе второго субстратного фосфорилирования образуется еще молекула АТФ; в итоге общий энергетический выигрыш процесса составляет 2 молекулы АТФ на 1 молекулу глюкозы. Такова энергетическая сторона процесса гомоферментативного молочнокислого брожения. Энергетический баланс процесса: С6+2АТФ=2С3+4 АТФ+2НАДФ∙Н2

ГОМОФЕРМЕНТАТИВНОЕ МОЛОЧНО-КИСЛОЕ БРОЖЕНИЕ

Осуществляется молочно-кислым бактериями. Которые расщепляют углеводы по гликолитическому пути с последним образованием из пирувата молочной кислоты. У ГФМК- бактерий проблема донорно-акцепторой связи решается самым простым путём - этот вид брожения рассматривают как эволюционно самый древний механизм.
В процессе брожения пировиноградная кислота восстанавливается Н+ оторвавшимся от глюкозы. На пируват сбрасывается Н2 с НАДФ∙Н2. В результате чего образуется молочная кислота. Энергетический выход составляет 2 молекулы АТФ.
Молочно-кислое брожение осуществляют бактерии рода: Streptococcus, Lactobacillus,Leuconostoc.Все они Г+ (являются палочками или кокками) неспорообразующие (Sporolactobacillus образуют споры). По отношению к кислороду молочно-кислые бактерии относятся к аэротолерантным, являются строгими анаэробами, но способны существовать в атмосфере кислорода. Они имеют ряд ферментов, которые нейтрализуют токсическое действие кислорода (флавиновые ферменты, негемовая каталаза, супероксиддисмутаза). МКБ не могут осуществлять дыхание, так как нет дыхательной цепи. В связи с тем, что природа обитания МКБ богата на факторы роста, в процессе эволюции они стали метаболическими инвалидами и утратили способность синтезировать в достаточном количестве факторы роста, поэтому в процессе культивирования они

Гомоферментативное молочнокислое брожение: Ф1 — гексокиназа; Ф2 — глюкозофосфатизомераза; Ф3 — фофсофруктокиназа; Ф4 — фруктозо-1,6-дифосфатальдолаза; Ф5 — триозофосфатизомераза; Ф6 — 3-ФГА-дегидрогеназа; Ф7 — фофсоглицерокиназа; Ф8 — фосфоглицеромутаза; Ф9 — енолаза; Ф10 — пируваткиназа; Ф11 — лактатдегиброгеназа (по Dagley, Nicholson, 1973)

нуждаются в добавлении витамиов, аминокислот (овощные, растительные экстракты).
МКБ могут использовать лактозу, которая под действием β-галактозидазы в присутствии молекул воды расщепляется на D-глюкозц и D-галактозу. Впоследствии D-галактоза фосфорилируется и трансформируется в глюкозо-6-фосфат.
МКБ - мезофиллы с оптимальной температурой культивирования 37 - 40ºС. При 15ºС большинство из них не растут.
Способность к антагонизму связана с тем, что в процессе метаболизма накапливается молочная кислота и другие продукты, которые угнетают рост других микроорганизмов. Кроме того накопление молочной кислоты в культуральной жидкости приводит к резкому снижению рН, что угнетает рост гнилостных микрооргаизмов, а сами МКБ могут выдерживать рН до 2.
МКБ нечувствительны к многим антибиотикам. Это позволило использовать их в качестве продуцентов пробиотических препаратов, которые могут использоваться как препараты, сопровождающие при антибиотико-терапии (способствуют восстановлению микрофлоры кишечника, угнетаемой антибиотиками).
Экология МКБ. В природе встречаются там, где много углеводов: молоко, поверхность растений, пищевой тракт человека и животных. Патогенных форм нет.

СПИРТОВОЕ БРОЖЕНИЕ

В основе лежит гликолитический путь. В спиртовом брожении происходит усложнение решения донорно-акцепторной связи. Сначала пируват с помощью пируватдекарбоксилазы, ключевого фермента спиртового брожения, декарбоксилируется до ацетальдегида и CO2:
CH3-CO-COOH ® CH3-COH + CO2 .
Особенность реакции заключается в ее полной необратимости. Образовавшийся ацетальдегид восстанавливается до этанола с участием НАД+-зависимой алкогольдегидрогеназы:
CH3-COH + НАД-H2 ® CH3-CH2OH + НАД+
Донором водорода служат 3-ФГА (как и в случае молочнокислого брожения).
Процесс спиртового брожения суммарно можно выразить следующим уравнением:
C6H12O6 + 2ФН + 2АДФ ® 2CH3-CH2OH + 2CO2 + 2АТФ +2H2O.
Спиртовое брожение широко распространенный процесс получения энергии как у Про-, так и у Эукариотов. У Прокариотов встречается как у Г+ так и у Г-. Промышленное значение имеет микроорганизм Zymomonas mobilies (пульке из сока агавы), но в основе брожения лежит не гликолиз, а путь Энтнера - Дудорова или КДФГ-путь.
Основные продуценты спирта - дрожжи (пивоварение, виноделие, ферментные препараты, витамины группы В, нуклеиновые кислоты, белково-витаминные концентраты, пробиотические препараты).

ПРОПИОНОВОЕ БРОЖЕНИЕ

В пропионовокислом брожении мы имеем дело с реализацией третьей возможности превращения пирувата — его карбоксилированием, приводящим к возникновению нового акцептора водорода — ЩУК. Восстановление пировиноградной кислоты в пропионовую у пропионовокислых бактерий протекает следующим образом. Пировиноградная кислота карбоксилируется в реакции, катализируемой биотинзависимым ферментом, у которого биотин выполняет функцию переносчика CO2. Донором CO2-группы служит метилмалонил-КоА. В результате реакции транскарбоксилирования образуются ЩУК и пропионил-КоА. ЩУК в результате трех ферментативных этапов (аналогичных реакциям 6, 7, 8 цикла трикарбоновых кислот, превращается в янтарную кислоту.
Следующая реакция заключается в переносе КоА-группы с пропионил-КоА на янтарную кислоту (сукцинат), в результате чего образуется сукцинил-КоА и пропионовая кислота.
Образовавшаяся пропионовая кислота выводится из процесса и накапливается вне клетки. Сукцинил-КоА превращается в метилмалонил-КоА.
В состав кофермента метилмалонил-КоА-мутазы входит витамин B12.

Энергетический баланс на 1 молекулу глюкозы образуется 2 молекулы пропионовой кислоты и 4 молекулы АТФ.
Бактерии р.Propionibacterium - это Г+ палочки, неспорообразующие, неподвижные, размножаются бинарным делением, являются аэротолерантными микроорганизмами. У них есть механизм защиты от токсического действия кислорода, некоторые могут осуществлять дыхание.
Экология: встречаются в молоке, кишечнике жвачных животных. Промышленный интерес: продуценты В12 и пропионовой кислоты.

МАСЛЯНОКИСЛОЕ БРОЖЕНИЕ

При маслянокислом брожении пируват декарбоксилируется и присоединяется к КоА - образуется ацетил-КоА. Далее происходит конденсация: 2 молекулы ацетил-КоА конденсируются с образованием С4-соединения ацето-ацетил-КоА, который выступает акцептором продукции Н2.

Пути превращения пирувата в маслянокислом брожении, осуществляемом Clostridium butyricum: Ф1 — пируват:ферредоксиноксидоредуктаза; Ф2 — ацетил-КоА-трансфераза (тиолаза); Ф3 — (3-оксибутирил-КоА-дегидрогеназа; Ф4 — кротоназа; Ф5 — бутирил-КоА-дегидрогеназа; Ф6 — КоА-трансфераза; Ф7 — фосфотрансацетилаза; Ф8 — ацетаткиназа; Ф9 — гидрогеназа; Фдок — окисленный; Фд-H2 — восстановленный ферредоксин; ФН — неорганический фосфат

Далее С4 соединени проходя через ряд последовательных превращений образует масляную кислоту. Этот восстановительный путь не связан с образованием энергии и создан исключительно для утилизации восстановителя. Параллельно существует вторая окислительная ветвь, которая приводит к образоваию из пирувата уксусной кислоты и на этом участке имеет место субстратное фосфорилирование, что обуславливает синтез АТФ.
Энергетический баланс рассчитать сложно, поскольку направление реакций определяется внешними факторами, а также питательной средой:
1 мол. глюкозы→≈3,3 АТФ
Маслянокислое брожение осуществляют бактерии р.Clostridium - это Г+ палочки, подвижные, спорообразующие (эндоспоры d>dкл), являются исключительно анаэробными культурами. Движение осуществляют за счет перетрихиально расположенных жгутиков. По мере старения клетки теряют жгутики и накапливают гранулёзу (крахмалоподобное вещество). По способности збраживать субстрат разделяются на 2 типа:
сахаролитические (расщепляют сахара, полисахариды, крахмал, хитин);
протеолитические (имеют мощный комплекс протеолитических ферментов, расщепляют белки).
Клостридии осуществляют не только масляно-кислое брожение, но и ацетонобутиловое. Продуктами этого вида брожения на ряду с масляной кислотой и ацетатом могут быть: этанол, ацетон, бутиловый спирт, изопропиловый спирт.

АЦЕТОНОБУТИЛОВОЕ БРОЖЕНИЕ

При ацетонобутиловом брожении продуценты в молодом возрасте (логарифмическая фаза роста) осуществляют брожение по типу маслянокислого. По мере снижения рН и накопления кислых продуктов индуцируется синтез ферментов, приводит к накоплению нейтральных продуктов (ацетон, изопропиловый, бутиловый, этиловый спирты). Изучая процесс ацетонобутилового брожения русский ученый Шапошников показал, что оно проходит 2 фазы и в основе 2х фазности процесса лежит связь между конструктивным и энергетическим метаболизмом. Первая фаза характеризуется активным ростом культуры и интенсивным конструктивным метаболизмом, по этому в этот период происходит отток восстановителя НАД∙Н2 на биосинтетические нужды. При затухании роста культуры и переходе ее во вторую фазу уменьшается потребность в конструктивных процессах, что приводит к образоваию более восстановлеых форм - спиртов.
Практическое применение Clostridium:
производство масляной кислоты;
производство ацетона;
производство бутанола.
Бактерии играют огромную роль в природе: осуществляют гниение, анаэробное гниение клетчатки и хитина (некоторые расщепляют пектиновые волокна). Среди Clostridium имеются патогенны (возбудители ботулизма - выделяют крайне опасный экзотоксин; возбудители газовой гангрены; столбняка).

Энергетический обмен (катаболизм, диссимиляция) — совокупность реакций расщепления органических веществ, сопровождающихся выделением энергии. Энергия, освобождающаяся при распаде органических веществ, не сразу используется клеткой, а запасается в форме АТФ и других высокоэнергетических соединений. АТФ — универсальный источник энергообеспечения клетки. Синтез АТФ происходит в клетках всех организмов в процессе фосфорилирования — присоединения неорганического фосфата к АДФ.

У аэробных организмов (живущих в кислородной среде) выделяют три этапа энергетического обмена: подготовительный, бескислородное окисление и кислородное окисление; у анаэробных организмов (живущих в бескислородной среде) и аэробных при недостатке кислорода — два этапа: подготовительный, бескислородное окисление.

Подготовительный этап

Заключается в ферментативном расщеплении сложных органических веществ до простых: белковые молекулы — до аминокислот, жиры — до глицерина и карбоновых кислот, углеводы — до глюкозы, нуклеиновые кислоты — до нуклеотидов. Распад высокомолекулярных органических соединений осуществляется или ферментами желудочно-кишечного тракта или ферментами лизосом. Вся высвобождающаяся при этом энергия рассеивается в виде тепла. Образовавшиеся небольшие органические молекулы могут быть использованы в качестве «строительного материала» или могут подвергаться дальнейшему расщеплению.

Бескислородное окисление, или гликолиз

Этот этап заключается в дальнейшем расщеплении органических веществ, образовавшихся во время подготовительного этапа, происходит в цитоплазме клетки и в присутствии кислорода не нуждается. Главным источником энергии в клетке является глюкоза. Процесс бескислородного неполного расщепления глюкозы — гликолиз .

Потеря электронов называется окислением, приобретение — восстановлением, при этом донор электронов окисляется, акцептор восстанавливается.

Следует отметить, что биологическое окисление в клетках может происходить как с участием кислорода:

А + О 2 → АО 2 ,

так и без его участия, за счет переноса атомов водорода от одного вещества к другому. Например, вещество «А» окисляется за счет вещества «В»:

АН 2 + В → А + ВН 2

или за счет переноса электронов, например, двухвалентное железо окисляется до трехвалентного:

Fe 2+ → Fe 3+ + e — .

Гликолиз — сложный многоступенчатый процесс, включающий в себя десять реакций. Во время этого процесса происходит дегидрирование глюкозы, акцептором водорода служит кофермент НАД + (никотинамидадениндинуклеотид). Глюкоза в результате цепочки ферментативных реакций превращается в две молекулы пировиноградной кислоты (ПВК), при этом суммарно образуются 2 молекулы АТФ и восстановленная форма переносчика водорода НАД·Н 2:

С 6 Н 12 О 6 + 2АДФ + 2Н 3 РО 4 + 2НАД + → 2С 3 Н 4 О 3 + 2АТФ + 2Н 2 О + 2НАД·Н 2 .

Дальнейшая судьба ПВК зависит от присутствия кислорода в клетке. Если кислорода нет, у дрожжей и растений происходит спиртовое брожение, при котором сначала происходит образование уксусного альдегида, а затем этилового спирта:

1. С 3 Н 4 О 3 → СО 2 + СН 3 СОН,
2. СН 3 СОН + НАД·Н 2 → С 2 Н 5 ОН + НАД + .

У животных и некоторых бактерий при недостатке кислорода происходит молочнокислое брожение с образованием молочной кислоты:

С 3 Н 4 О 3 + НАД·Н 2 → С 3 Н 6 О 3 + НАД + .

В результате гликолиза одной молекулы глюкозы высвобождается 200 кДж, из которых 120 кДж рассеивается в виде тепла, а 80% запасается в связях АТФ.

Кислородное окисление, или дыхание

Заключается в полном расщеплении пировиноградной кислоты, происходит в митохондриях и при обязательном присутствии кислорода.

Пировиноградная кислота транспортируется в митохондрии (строение и функции митохондрий — лекция №7). Здесь происходит дегидрирование (отщепление водорода) и декарбоксилирование (отщепление углекислого газа) ПВК с образованием двухуглеродной ацетильной группы, которая вступает в цикл реакций, получивших название реакций цикла Кребса. Идет дальнейшее окисление, связанное с дегидрированием и декарбоксилированием. В результате на каждую разрушенную молекулу ПВК из митохондрии удаляется три молекулы СО 2 ; образуется пять пар атомов водорода, связанных с переносчиками (4НАД·Н 2 , ФАД·Н 2), а также одна молекула АТФ.

Суммарная реакция гликолиза и разрушения ПВК в митохондриях до водорода и углекислого газа выглядит следующим образом:

С 6 Н 12 О 6 + 6Н 2 О → 6СО 2 + 4АТФ + 12Н 2 .

Две молекулы АТФ образуются в результате гликолиза, две — в цикле Кребса; две пары атомов водорода (2НАДЧН2) образовались в результате гликолиза, десять пар — в цикле Кребса.

Последним этапом является окисление пар атомов водорода с участием кислорода до воды с одновременным фосфорилированием АДФ до АТФ. Водород передается трем большим ферментным комплексам (флавопротеины, коферменты Q, цитохромы) дыхательной цепи, расположенным во внутренней мембране митохондрий. У водорода отбираются электроны, которые в матриксе митохондрий в конечном итоге соединяются с кислородом:

О 2 + e — → О 2 — .

Протоны закачиваются в межмембранное пространство митохондрий, в «протонный резервуар». Внутренняя мембрана непроницаема для ионов водорода, с одной стороны она заряжается отрицательно (за счет О 2 —), с другой — положительно (за счет Н +). Когда разность потенциалов на внутренней мембране достигает 200 мВ, протоны проходят через канал фермента АТФ-синтетазы, образуется АТФ, а цитохромоксидаза катализирует восстановление кислорода до воды. Так в результате окисления двенадцати пар атомов водорода образуется 34 молекулы АТФ.

1. Могут ли фото- и хемосинтезирующие организмы получать энергию благодаря окислению органики ? Конечно, могут. Для растений и хемосинтетиков характерно окисление, им ведь нужна энергия! Однако автотрофы будут окислять те вещества, которые они сами синтезировали.

2. Зачем аэробным организмам кислород ? Какова роль биологического окисления? Кислород явялется конечным акцептором электронов , которые приходят с более высоких энергетических уровней окисляемых веществ. В ходе этого процесса электроны высвобождают значительное количество энергии , и роль окисления именно в этом! Окисление - это потеря электронов или атома водорода, восстановление - их присоединение.

3. В чем разница горения и биологического окисления? В результате горения вся энергия полностью выделяется в виде тепла . Но при окислении всё сложнее: только 45 процентов энергии тоже выделяется в виде тепла и расходуется для поддержания нормальной температуры тела. Но 55 процентов - в виде энергии АТФ и прочих биологических аккумуляторов. Следовательно, большая часть энергии все же идет на создание высокоэнергетических связей .

Этапы энергетического обмена

1. Подготовительный этап характеризуется расщеплением полимеров до мономеров (полисахариды превращаются в глюкозу, белки в аминокислоты), жиров до глицерина и жирных кислот. На данном этапе выделяется некоторое количество энергии в виде тепла. Процесс протекает в клетке в лизосомах , на уровне организма - в пищеварительной системе . Вот почему после начала процесса пищеварения температура тела повышается.

2. Гликолиз , или бескислородный этап - происходит неполное окисление глюкозы.

3. Кислородный этап - окончательное расщепление глюкозы.

Гликолиз

1. Гликолиз идет в цитоплазме. Глюкоза С 6 H 12 О 6 расщепляется до ПВК (пировиноградной кислоты) С 3 H 4 О 3 - на две трехуглеродные молекулы ПВК. Здесь участвуют 9 разных ферментов.

1) При этом у двух молекул ПВК на 4 атома водорода меньше, чем у глюкозы С 6 H 12 О 6 , С 3 H 4 О 3 - ПВК (2 молекулы - С 6 H 8 O 6).

2) Куда расходуются 4 атома водорода? За счет 2 атомов восстанавливаются 2 атома НАД+ в два НАД H . За счет других 2 атомов водорода ПВК сможет превратиться в молочную кислоту С 3 H 6 О 3 .

3) А за счет энергии электронов, перенесенных с высоких энергетических уровней глюкозы на более низкий уровень НАД+, синтезируются 2 молекулы АТФ из АДФ и фосфорной кислоты.

4) Часть энергии растрачивается в виде тепла .

2. Если кислород в клетке отсутствует, или его мало, то 2 молекулы ПВК восстанавливаются за счет двух НАДH до молочной кислоты : 2С 3 H 4 О 3 + 2НАДH + 2H+ = 2С 3 H 6 О 3 (молочная кислота) + 2HАД+. Присутствие молочной кислоты является причиной боли в мышцах при нагрузках и недостатке кислорода. После активной нагрузки кислота отправляется в печень, где от нее отщепляется водород, то есть она снова превращается в ПВК. Эта ПВК может уйти в митохондрии для полного расщепления и образования АТФ. Часть АТФ расходуется и на то, чтобы превратить большую часть ПВК снова в глюкозу путем обращения гликолиза. Глюкоза с кровью пойдет в мышцы и будет храниться в виде гликогена .

3. В результате бескислородного окисления глюкозы создается всего 2 молекулы АТФ .

4. Если в клетке уже есть, или начинает в нее поступать кислород , ПВК уже не может восстановиться до молочной кислоты, а отправляется в митохондрии, где идет ее полное окисление до С O 2 и H 2 О .

Брожение

1. Брожение - это анаэробный (бескислородный) метаболический распад молекул различных питательных веществ, например, глюкозы.

2. Спиртовое, молочнокислое, маслянокислое, ускуснокислое брожение идет в анаэробных условиях в цитоплазме. По сути, как процесс брожение соответствует гликолизу.

3. Спиртовое брожение специфично для дрожжей, некоторых грибов, растений, бактерий, которые в бескислородных условиях переходят на брожение.

4. Для решения задач важно знать, что в каждом случае при брожении из глюкозы выделяется 2 АТФ, спирт, либо кислоты - масляная, уксусная, молочная. При спиртовом (и маслянокислом) брожении из глюкозы выделяются не только спирт, АТФ, но и углекислый газ.

Кислородный этап энергетического обмена включает в себя две стадии.

1. Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса).

2. Окислительное фосфорилирование.