Тема 2. Секреты клеточного метаболизма. (2ч)
Энергетический обмен
У трех зайцев, обладающих разной скоростью бега, наблюдается различная скорость окисления глюкозы и образования АТФ в мышцах. Объясните: а) как предположительно будет действовать естественный отбор среди этих животных (при равенстве всех остальных условий); б) какова роль наследственности, изменчивости и естественного отбора в совершенствовании процессов энергетического обмена?
При беге на дистанцию 100 м человеку становится жарко и учащается дыхание, но не сразу, а лишь после 50 м пробега. Почему?
Физиологи установили, что первоначальное образование небольшого количества молочной кислоты в мышцах стимулирует их сокращение (например, при разминке перед бегом), а накопление большого количества молочной кислоты тормозит сокращение мышц и вызывает их быстрое утомление. Кроме того, при бескислородном расщеплении расходуется много глюкозы, а АТФ образуется мало. Объясняете, что произойдет с человеком, у которого слабое сердце, если во время бега или физической работы из-за недостаточного обеспечения мышц кислородом в них будет преобладать бескислородное расщепление глюкозы. Дайте научное объяснение принятым выражениям «устал», «сил не хватило».
* В процессе диссимиляции произошло расщепление 7 моль глюкозы (С6Н12О6), из которых полному кислородному расщеплению подверглось только 2 моль. Определите: сколько молей молочной кислоты (С3Н6О3) и углекислого газа при этом образовалось? Сколько молей АТФ при этом синтезировано? Сколько энергии и в какой форме аккумулировано в этих молекулах АТФ? Сколько молей кислорода расходовано на окисление образовавшейся при этом молочной кислоты?
РЕШЕНИЕ: 1) из 7 молей глюкозы 2 подверглись полному расщеплению, а 5 – неполному;
2) составить уравнение неполного расщепления глюкозы
5 С6Н12О6 + 5∙ 2 Н3РО4 + 5∙ 2 АДФ = 5∙ 2 С3Н6О3 + 5∙ 2АТФ + 5∙ 2 Н2О
3) составить суммарное уравнение полного расщепления глюкозы
2 С6Н12О6 + 2∙6 О2 + 2∙ 38 Н3РО4 + 2∙ 38 АДФ = 2∙ 6 СО2 + 2∙ 38АТФ + 2∙ 44 Н2О
4) находим общее количество АТФ: 5∙ 2АТФ + 2∙ 38АТФ = 10+76= 86АТФ
5) определяем количество энергии в молекулах АТФ: 86∙40= 3440 кДж
ОТВЕТ: 10 моль молочной кислоты, 12 моль СО2, 86 моль АТФ, 3440 кДж в форме химической энергии в макроэргических связях АТФ, 12 моль кислорода.
*В результате диссимиляции в клетках образовалось 5 моль молочной кислоты и 27 моль углекислого газа. Определите сколько всего моль глюкозы израсходовано. Сколько из них подверглось только неполному расщеплению и сколько полному? Сколько АТФ при этом синтезировано и сколько энергии в них аккумулировано? Сколько молей кислорода израсходовано на окисление молочной кислоты?
РЕШЕНИЕ:
1) уравнение неполного расщепления глюкозы
С6Н12О6 + 2 Н3РО4 + 2 АДФ = 2 С3Н6О3 + 2АТФ + 2 Н2О
суммарное уравнение полного расщепления глюкозы
С6Н12О6 + 6 О2 + 38 Н3РО4 + 38 АДФ = 6 СО2 + 38АТФ + 44 Н2О
3) из 1 моль С6Н12О6 образуется 2 моль С3Н6О3. по условию задачи образовалось 5 моль С3Н6О3, отсюда 5 : 2 = 2,5 моль глюкозы
4) из 1 моль С6Н12О6 образуется 6 моль СО2 по условию задачи образовалось27 моль СО2, отсюда 27 : 6 = 4,5 моль глюкозы
5) всего израсходовано глюкозы: 2,5 + 4,5 = 7 моль
6) при неполном расщеплении 2,5 моль глюкозы образовалось 2,5 ∙ 2 = 5 моль АТФ
при полном расщеплении 4,5 моль глюкозы образовалось 4,5 ∙ 38 =171 моль АТФ
7) всего образовалось 176 моль АТФ
8) в АТФ запасено 176∙ 40 = 7040 кДж энергии
9) на окисление молочной кислоты израсходовано: 6 ∙ 4,5 = 27 моль О2
ОТВЕТ: 7 моль; неполному расщеплению подверглись 2,5 моль, полному – 4,5 моль глюкозы; 176 моль АТФ и 7040 кДж энергии; 27 моль О2.
* Мышцы ног при беге со средней скоростью за 1 минуту расходуют 24 кДж энергии. Определите, сколько всего граммов глюкозы израсходуют мышцы ног за 25 минут бега, если кислород доставляется к мышцам ног в достаточном количестве для полного окисления глюкозы. Накопится ли в мышцах при таких условиях молочная кислота?
РЕШЕНИЕ: 1) за 25 минут бега израсходуется 24∙ 25 = 600 кДж энергии.
600 : 40 = 15 моль АТФ выделяют такое количество энергии;
Молярная масса С6Н12О6 – 180, и из 1 моль С6Н12О6 образуется при полном окислении 38 моль АТФ, отсюда: 180 ∙ 15 : 38 = 71г
ОТВЕТ: 71г С6Н12О6; нет, т.к. полностью окисляется.
Пластический обмен.
Сопоставьте три факта: 1 – молекулы белков в клетке постоянно расщепляются в результате диссимиляции и заменяются новыми молекулами того же белка; 2 – молекулы белка не обладают свойством редупликации, следовательно не могут самовоспроизводиться; 3 – несмотря на это, вновь образующиеся в клетке тысячи молекул одного вида белка являются точными копиями разрушенного. Как, по вашему мнению, происходит синтез большого количества одинаковых молекул белка?
Для синтеза белка in vitrо взяли рибосомы и аминокислоты клеток паука, ДНК и ферменты мухи дрозофилы, т-РНК и АТФ собаки. Чьи белки будут синтезироваться? Почему вы так считаете?
Участок молекулы ДНК, кодирующий часть полипептида, имеет следующее строение: А-Ц-Ц-А-Т-А-Г-Т-Ц-Ц-А-А-Г-Г-А. определите последовательность аминокислот в полипептиде.
Дана последовательность триплетов и-РНК УГУ-УАУ-УУУ-ГАА-ГАУ-УГУ-ЦЦУ-ЦГУ-ГГУ, кодирующая последовательность аминокислот в белке вазопрессин цис-тир-фен-глу-асп-цис-про-арг-гли. Определите:1) сколько в и-РНК нуклеотидов и триплетов; 2) чему равна длина и-РНК; 3) какие триплеты занимают в и-РНК 3-е и 8-е место; 4) какие нуклеотиды занимают в и-РНК 5-е и 21-е место; 5) сколько аминокислот в белке вазопрессин; 6) сколько видов аминокислот в белке вазопрессин; 7) какая аминокислота встречается дважды и на каких местах?
На участке левой цепи ДНК нуклеотиды расположены в следующем порядке: АГА-ТАТ-ТГТ-ТЦТ-ГАА. Какую первичную структуру будет иметь белок, синтезируемый при участии противоположной цепи? Какие т-РНК будут участвовать в биосинтезе данного белка?
* Первичная структура белка гемоглобина в норме имеет следующую последовательность нуклеотидов: вал-гис-лей-тре-про-глу-лиз. В результате генной мутации вместо глутаминовой кислоты встает Валин, что приводит к серповидноклеточной анемии. Определите какие изменения в и где в структуре гена могли привести к таким последствиям? Из каких нуклеотидов может состоять кодон, кодирующий валин?
* Молекула белка имеет следующую последовательность аминокислот: вал-ала-гли-лиз-три-вал-сер. Определите структуру участка молекулы ДНК, кодирующего эту полипептидную цепь. Определите антикодоны т-РНК, участвующих в синтезе данного белка. Как изменится структура белка, если из кодирующего его участка ДНК удалить 5-ый и 13-ый слева нуклеотиды? Как изменится структура белка, если в кодирующем его участке ДНК между 10-м и 11-м нуклеотидами встанет цитозин, а между 13-м и 14-м – аденин.
* Дана молекула и-РНК: ГАУ-АУЦ-АУУ-ГГУ-УЦГ. Определите: 1) первичную структуру белка, закодированного в этой молекуле; 2) количество (%) различных видов нуклеотидов участка молекулы ДНК, который послужил матрицей для синтеза и-РНК; 3) длину этого гена; 4) первичную структуру белка после выпадения 9-го нуклеотида в цепи ДНК.
Сколько нуклеотидов содержат гены, в которых запрограммированы белки, состоящие из а) 10 аминокислот; б) 25 аминокислот; в) 150 аминокислот?
* Молекулярная масса белка 50000. определите длину соответствующего гена.
Примечание: молекулярная масса одной аминокислоты в среднем – 100, молекулярная масса одного нуклеотида – 345.
11*. Одна из цепей ДНК имеет молекулярную массу 34155. Определите количество мономеров белка, закодированного в этой ДНК.
Примечание: молекулярная масса одной аминокислоты в среднем – 100, молекулярная масса одного нуклеотида – 345.
Фотосинтез
Вставьте пропущенные компоненты реакции. Дайте формулировку этому процессу. Опишите основные этапы этого процесса.
6 СО2 + 6 …→ С6Н12О6 + …
Может ли темновая фаза фотосинтеза происходить в темноте? Почему?
При фотосинтезе только 1-2% солнечной энергии превращается в энергию химических соединений. Какова судьба остальной энергии?
В настоящее время говорят об экологических аспектах фотосинтеза. Как вы это понимаете?
* За сутки один человек массой 60 кг при дыхании потребляет в среднем 30 л кислорода (из расчета 200см3 на 1 кг массы в 1 час). Одно 25-летнее дерево (тополь) в процессе фотосинтеза за 5 весенне-летних месяцев поглощает около 42 кг углекислого газа. Определите сколько таких деревьев необходимо, чтобы обеспечить кислородом одного человека.
Как связаны между собой проблемы фотосинтеза и обеспечения продовольствием населения планеты?
Тема 3. Основной инстинкт: способы размножения организмов. Деление клеток. (2ч).
Подумайте и объясните: 1 – почему, несмотря на деление клетки, в ней сохраняется постоянство числа хромосом? 2 – каким образом при митозе достигается равномерное распределение хромосом между дочерними клетками? 3 – какое биологическое значение имеет митоз?
Рассмотрите схему и определите, сколько хромосом получат клетки в результате митоза. Почему вы так считаете?
Схема митоза клетки
М  атеринская клетка
Митоз
Рост клеток
Митоз
Клетка человека Клетка мухи
В ядре каждой соматической клетки кролика 22 пары хромосом, а у дрозофилы – 4 пары. Изобразите схематически, сколько будет хромосом в каждой дочерней клетке, образовавшейся в результате митоза; мейоза.
* Общая масса всех молекул ДНК в 46 хромосомах одной соматической клетки тела человека составляет 6∙ 10-9 мг. Определите, чему будет равна масса всех хромосом в одной дочерней клетке, двух дочерних клетках, образовавшихся путем митоза. Почему вы так считаете?
* Можно ли определить, какому организму принадлежит ткань, если из нее приготовить микропрепарат так, чтобы в клетках хорошо были видны хромосомы? Чем это объяснить?
* Как вы думаете, почему ученые называют метафазную пластинку своеобразным паспортом организма?
* Ученые провели исследование митоза: оказалось, что у животных, ведущих ночной образ жизни, в большинстве органов максимум митозов приходится на утро и минимум на ночное время. У дневных животных максимум наблюдается в ночное время, а минимум днем. Проанализируйте и поясните этот факт.
Известно, что у домашней мухи каждая диплоидная клетка содержит 12 хромосом. Второе поколение мух (дети) должны иметь в результате оплодотворения 24 хромосомы в каждой клетке, а их внуки – 48 и т.д. Однако микроскопическое исследование показывает, что на самом деле такого увеличения числа хромосом в последующих поколениях не происходит. В клетках мух любого поколения число хромосом остается постоянным – 12. как вы объясните эти противоречивые факты? Какое выработалось приспособление, предотвращающее бесконечное увеличение числа хромосом в клетках особей одного вида при их половом размножении?
Приводим два противоречивых факта:
1. При половом размножении молодая особь образуется в результате оплодотворения, т.е. слияния двух половых клеток;
2. В клетках молодой особи количество хромосом не увеличивается, остается таким же, как и у родительских особей. Как показывает микроскопическое исследование, постоянство числа хромосом сохраняется и у внуков, и у правнуков, и во всех последующих поколениях, хотя все они результат полового размножения.
Сопоставьте эти факты и объясните: почему при половом размножении, несмотря на оплодотворение, число хромосом в клетках потомства остается постоянным, а не увеличивается с каждым последующим поколением.
У кролика и крольчихи в каждой соматической клетке содержится по 44 хромосомы. Сколько хромосом содержится у кроликов: в одной яйцеклетке? В одном сперматозоиде? В зиготе? В соматической клетке потомства? Сколько сперматозоидов образуется из одной первичной половой клетки (сперматогония)? Сколько яйцеклеток образуется из одной первичной половой клетки (оогония)? Почему?
Рассмотрите схему и определите, сколько и каких хромосом получат дочерние клетки.
Схема деления клетки
Митоз Мейоз
* Даны две группы по 100 диплоидных клеток, каждая из них содержит по 8 хромосом (А,А,В,В,С,С,Д,Д). во всех клетках первой группы произошел митоз, второй – мейоз. Определите: 1) сколько молодых клеток образовалось в первой группе; б) по сколько и каких хромосом содержит каждая клетка первой группы; в) сколько клеток образовалось во второй группе; г) по сколько и каких хромосом содержит каждая клетка второй группы?
* Из двух бластомеров, образовавшихся из одной зиготы, развились два самостоятельных эмбриона и родились близнецы. Как выдумаете, какие это будут близнецы – идентичные или неидентичные? Почему?
* Два идентичных близнеца-мужчины вступили в брак с двумя идентичными близнецами- женщинами. Будут ли дети от этих браков похожи между собой как идентичные близнецы? Ответ поясните.
В результате ненормального митоза в культуре тканей клеток человека хроматиды 21-ой хромосомы не разошлись к разным полюсам и оказались в одном ядре. Сколько хромосом будут иметь дочерние клетки после такого деления?
В результате ненормального мейоза в культуре тканей клеток кошки (38 хромосом) хроматиды 15-ой пары хромосомы не разошлись к разным полюсам и оказались в одном ядре. Сколько хромосом будут иметь дочерние клетки после такого деления?
В результате ненормального митоза в культуре тканей клеток томата (24 хромосомы) хроматиды 1-ой пары хромосомы не разошлись к разным полюсам и оказались в одном ядре. Сколько хромосом будут иметь дочерние клетки после такого деления.
Под воздействием различных факторов (химических, температурных и др.) иногда в процессе мейоза у человека нарушается расхождение гомологичных половых хромосом. Определите: а) какие не нормальные (по набору хромосом) мужские гаметы образуются при нарушении расхождений половых хромосом в процессе мейоза; б) какие ненормальные зиготы (с нарушенным диплоидным набором хромосом) образуются при оплодотворении нормальных яйцеклеток с ненормальными сперматозоидами; ненормальных яйцеклеток-с нормальными сперматозоидами.
* Американский ученый Дж. Гердон пересадил ядро из клетки лягушки в ее яйцеклетку, ядро которой было предварительно разрушено путем облучения ультрафиолетом. Таким образом, ему удалось вырастить головастика, а затем и лягушку идентичную той особи, из которой было взято ядро. Что доказывает данный опыт? Где он используется в настоящее время?
* У человека существует геномная мутация по половым хромосомам, когда клетки содержат только одну Х-хромосому, то есть хромосомный набор равен не 46, а 45. почему не существует людей только с Y-хромосомой, без Х? ответ поясните.
Чтение «слепых таблиц»
1.
Фазы митоза
|
Характеристика
|
Последовательность фаз митоза
|
|
Хроматиды расходятся к полюсам, становясь самостоятельными хромосомами
|
|
Телофаза
|
|
|
Метафаза
|
|
|
|
Происходит спирализация хромосом, исчезает ядрышко и ядерная оболочка. Удваиваются центриоли
|
|
2.
Способы деления клетки
|
Характеристика
|
Биологическое значение
|
Амитоз
|
|
Удвоение клетки, генетическая стабильность
|
|
Непрямое деление эукариотической клетки.
|
|
|
Способ деления эукариотической клетки, приводящий к уменьшению вдвое числа хромосом.
|
Приводит к редукции числа хромосом в гаметах; обеспечивает комбинатив-ную изменчивость и сохранение кариотипа вида при половом размножении
|
|
