Téma: DÝCHANIE RASTLÍN

Autor: Doc. RNDr. Katarína Ušáková, CSc.

Typ hodiny:

heuristický

Výchovno-vzdelávacie ciele:

Vzdelávacie ciele:

informatívne

• Vysvetliť podstatu a priebeh aeróbneho dýchania.
• Poukázať na
  • to, že respirácia je zložitý proces postupnej oxidácie kyseliny pyrohroznovej za účasti enzýmov, tzv. Krebsov cyklus
  • to, že narozdiel od AG pri respirácii dochádza k úplnej oxidácii substrátu (konečným produktom respirácie sú CO₂ a H₂O)
  • funkciu jednotlivých skupín enzýmov, pri postupnej oxidácii kyseliny pyrohroznovej (dekarboxylázy, oxidázy, dehydrogenázy)
  • to, že energetický výťažok respirácie je oveľa vyšší než energetický výťažok anaeróbnej glykolýzy
  • priame prepojenie oxidatívnej fosforylácie a dýchacieho reťazca
  • na odbúravanie atómov uhlíka a metabolizmus látok
• Upozorniť na
  • to, že respirácia má v bunke svoju presnú lokalizáciu - mitochondrie, narozdiel od anaeróbnej glykolýzy
  • to, že dýchanie prebieha v dvoch fázach a to anaeróbna glykolýza a respirácia (kde sa glukóza najprv redukciou rozloží na dve molekuly kys. pyrohroznovej a tá sa potom oxiduje až na CO₂ a H₂O)
• Vysvetliť
  • podstatu dýchania sukulentov
  • podstatu javu bioluminiscencie
• Poukázať na
  • prejavy dýchania rastlín a jeho význam
  • faktory ovplyvňujúce intenzitu dýchania (svetlo, teplo, fotorespirácia)
  • protikladnosť fotosyntézy a dýchania
• Využiť východiskové poznatky:- všetky doterajšie poznatky o fotosyntéze, asimilácii a dýchaní, napr. biologická oxidácia glukózy, anaeróbna glykolýza, pravé kvasenie a pod.
• Sprístupniť nové pojmy: aeróbne dýchanie, cyklus kys. citrónovej - Krebsov cyklus, dýchací reťazec, oxidatívna fosforylácia, respiračný kvocient, bioluminiscencia-luciferín.
• Poukázať na vzájomné vzťahy medzi nimi, napr.:

  substrátová - oxidatívna fosforylácia
  anaeróbne - aeróbne štiepenie kyseliny pyrohroznovej
  Krebsov cyklus - dýchací reťazac
  fotosyntéza - fotorespirácia
  fotosyntéza - dýchanie
  dýchanie - bioluminiscencia
  

Výchovné ciele:

formatívne

• Poukázať na vzájomné kauzálne vzťahy medzi úplnou a neúplnou oxidáciou a praktické dôsledky dýchania rastlín v poľnohospodárskej a lesníckej praxi.
• Upozorniť na ekologické aspekty
  • podstatu dýchania sukulentov
  • podstatu javu bioluminiscencie
• Poukázať na ekonomické aspekty - dýchanie ako vážny ekonomický faktor ======> znehodnocovanie produktov fotosyntézy.

Rozvíjajúce ciele:

na splnenie vytýčených cieľov a pochopenie často protirečivých javov, využívať vhodne formulované úvahové, problémové a porovnávacie otázky

Vyučovacie metódy:

aktivizačný rozhovor, vysvetľovanie s využitím prvkov problémovosti.

Medzipredmetové vzťahy:

chémia - dehydrogenázy, oxidázy, dekarboxylázy, oxidačno-redukčné deje, oxálacetát, spaľovanie fosílnych palív.

Vyučovacie prostriedky:

priesvitky, spätný projektor

ŠTRUKTÚRA HODINY

I. Organizačná časť

prezencia, stručné oboznámenie s cieľom hodiny.

II. Opakovanie a kontrola vedomostí

individuálne, skupinovo, frontálne so zameraním na principiálne otázky fotosyntézy a AG, ako aj s možnosťami využitia otázok a úloh zadaných na l. hodine o dýchaní, napr.:

1. Vysvetlite podstatu disimilácie!
2. Prečo sa energia viazaná v chemických väzbách sacharidov, nemôže uvolniť naraz?
3. Na ktoré organely je viazané dýchanie? Vysvetlite!
4. Na čo sa použije energia uvolnená z chemických väzieb?
5. Ktoré druhy dýchania poznáte v závislosti od príromnosti O₂?
6. Čo je produktom anaeróbnej glykolýzy?
7. Je energetický výťažok anaeróbnej glykolýzy pre rastlinu postačujúci? Vysvetlite!
8. Ako rastlina uskutočňuje ďalšie uvolňovanie energie?
9. Ktoré procesy rozkladu kyseliny pyrohroznovej poznáte?
10. Stručne popíšte podstatu kvasenia!

III. Sprístupňovanie a osvojovanie nového učiva (expozícia)

l. MOTIVÁCIA

Spaľovanie fosílnych palív, čiže oxidácia organických látok vzdučným kyslíkom je hlavným zdrojom tepla a E pre ľudstvo. Uvolnená E sa premieňa na iný druh energie, mechanickú, prípadne elektrickú.

Problémová úloha:

Uvolňovanie energie v bunkách je vo svojej podstate tiež oxidácia, spojená s degradáciou organických látok. Logickou úvahou vysvetlite v čom je podstatný rozdiel medzi spaľovaním paliva a "spaľovaním živín" v bunke!
Riešenie:

1. Ako je známe z fyziky, pri spaľovaní fosílnych palív sa využíva prevod tepla z teplejšieho telesa na chladnejšie, pričom účinnosť je daná väčším rozdielom obidvoch teplôt.
   
   - Bunka si uchováva vitálne funkcie len v úzkom rozmedzí teplôt (inak hrozí denaturácia), pričom primárnou formou uvolnenej E nie je teplo, takže podobný mechanizmus by bol neúčinný.
   
   
2. Pri spaľovaní fosílnych palív reaguje vzdušný kyslík priamo s uhlíkom a s vodíkom organických látok za vzniku CO₂ a H₂O.
   
   - V bunke je "palivom" len vodík organických látok, ktorý reaguje s kyslíkom prostredníctvom enzýmov.

2. OBSAHOVÁ A DIDAKTICKÁ POSTUPNOSŤ

a) Podstata aeróbneho dýchania

AERÓBNE DÝCHANIE - respirácia, úplná oxidácia organických látok za prítomnosti kyslíka.

• Má proces aeróbneho dýchania špecifickú lokalizáciu v bunke?

V mitochondriách na membránach ktorých sú oxidačno-redukčné enzýmy podmieňujúce jednotlivé reakcie.

• Čo je produktom anaeróbneho dýchania?

Glukóza sa v dvoch etapách (AG, kvasenie) odbúrala na dvoj-uhlíkaté zlúčeniny, aktivovanú kyselinu octovú, čiže acetyl-Co-A.

• Akým spôsobom prebehne "úplná oxidácia substrátu"?

Ďalšie odbúravanie atómov uhlíka sa deje postupnou oxidáciou, prechodom cez 9 redoxných systémov za účasti enzýmov v tzv. cykle kyseliny citrónovej (prvý člen cyklu), podľa objaviteľa známeho ako KREBSOV CYKLUS (KC), prípadne cyklus trikarbónových kyselín, presnejšie KREBSOV-SZENT-GYORGYHO-cyklus.

b) Krebsov cyklus

3. etapa biologickej oxidácie

Krebsov cyklus

- odbúravanie zlúčenín C na CO₂. Krebsov cyklus je konečnou fázou odbúravania intermediárnych produktov pri metabolizme cukrov, tukov a čiastočne bielkovín.

• Akú úlohu majú enzýmy v procese úplnej oxidácie?

Enzýmy urýchľujú oxidáciu vodíka odňatého substrátu na vodu, pričom postupne uvolňovaná energia sa ukladá do chemických makroergických fosfátových väzieb.

Dekarboxylázy

- urýchľujú odbúravanie atómov C organického substrátu, kde cyklus kyseliny citrónovej uzatvára oxálacetát a uvolňuje sa CO₂.

4. etapa biologickej oxidácie

• úplná oxidácia v dýchacom reťazci - spojenie vodíka s kyslíkom na vodu
• tvorba ATP

Biologická tvorba vody a aeróbna fosforylácia (oxidatívna)

Dehydrogenázy

- aktivujú vodík a odnímajú ho substrátu

- vodík sa následne viaže na redukčné koenzýmy, najmä NADH+ H+ a prechádza do dýchacieho reťazca cez niekoľkostupňový systém enzýmov (flavoproteín, chinón, cytochróm), zvaný redoxný systém.

Oxidázy

- aktivujú kyslík a ním katalyzujú oxidáciu substrátu

• v priebehu toho sa postupne uvolňuje E a H₂ vo forme iónov reaguje s O₂ a vzniká H₂O
• podmieňujú jednotlivé reakcie a následné stupňovité uvolňovanie E, kde na jednu molekulu aktivovanej kyseliny octovej, vzniká jedna molekula ATP
• pri oxidácii H₂ sa postupne utvoria 3 ATP

Tvorba ATP v dýchacom reťazci sa nazýva oxidatívna fosforylácia.

• Aký je energetický efekt Krebsovho cyklu?

Odbúraním jednej molekuly glukózy vznikne v dýchacom reťazci 5 molekúl ATP a v celom Krebsovom cykle 36 molekúl.

• Napíšte schématicky vstupné látky a konečný produkt biologickej oxidácie!

C₆H_l2O₆ + 6 O₂ -----------> 6 CO₂ + 6 H₂O + E

Energetický efekt dýchania:

2 ATP z glykolýzy
36 ATP z Krebsovho cyklu
__________________________________________________________
38 ATP, pričom až 50% je využitá na životné deje rastlín

c) Biologický význam dýchania

• Môžeme dýchanie pozorovať bežne v prírode?

• roztápanie snehu okolo poslov jari vdˇaka pomerne veľkej E uvolnenej pri dýchaní - čemerica čierna, snežienka, bleduľa
  
• zaparenie obilia: vlhké obilie po výmlate kedˇ ostáva pohromade intenzívnejším dýchaním sa znehodnocuje

Problémová úloha:

1. Vymenujte aspoň dva ďalšie príklady, ktoré sú dôkazom priebehu procesu dýchania v prírode!
   - teplá para vystupujúca z hnojiska aj v mraze, samovznietenie zle usušeného sena alebo hromady lístia vyvolané mikroorganizmami, ktoré produkujú teplo a pod.
2. Prečo ovocie za istých okolností pri uskladnení hnije?
   - rozklad cukru dýchaním podporovaný vyššou teplotou v mieste uskladnenia.
3. Je dýchanie rastlín ekonomicky výhodné? Vysvetlite!
   - Nie. Vážny ekonomický faktor, ktorý znižuje hmotnosť a živnú hodnotu rastlinných produktov (obilie, zemiaky).
4. Pokúste sa určiť, čím je daná intenzita dýchania?
   - Spotrebou kyslíka a produkciou oxidu uhličitého. Po kvantifikovaní tohto pomeru intenzitu dýchania vyjadruje tzv. respiračný kvocient RQ.

   	objem vydaného CO2
   RQ =	--------------------
   	objem prijatého O2

5. Fotosyntéza a dýchanie sú kľúčové fyziologické deje, ktoré podmieňujú život rastliny. Zdôvodnite, ktorý proces prevláda cez deň?
   - Fotosyntéza, pretože jej priebeh podmieňuje slnečné svetlo.
6. Dýchajú rastliny aj cez deň?
   - Áno, ale dýchanie je zastreté fotosyntézou, tzv. fotorespirácia, špecificky spätá so substrátmi, prevládajúcimi počas fotosyntézy.
7. Čo rozumieme pod pojmom substrát?
   - Momentálne vyprodukované organické látky, ktoré sa nemôžu uskladniť v rezervných zlúčeninách, lebo sú hneď oxidované (až l/2 produktov fotosyntézy môže oxidovať).
8. Ako vysvetlíme úkaz v minulosti často prisudzovaný nadprirodzeným silám, navonok sprevádzaný jasným svetielkovaním, hojným najmä v bažinách, plytčinách a močiaroch?
   - Schopnosťou niektorých baktérií, húb, ale aj živočíchov, využívať E uvolnenú pri dýchaní na svetielkovanie, tento jav označujeme ako bioluminiscencia.

• - Vymenujte aspoň tri organizmy, schopné bioluminiscencie!

Podpňovka (Armilaria mellea), najmä v Karibskom mori mäkkýše, svetielko jagavé, svätojánska muška, čiže svietivka svätojánska a mnohé saprofytické organizmy.

IV. Upevnenie a zhrnutie učiva

- formou otázok, využitím obrazu tabule, napr.:

OBRAZ TABULE
Téma: Dýchanie rastlín - respirácia
Aeróbne dýchanie - respirácia: úplná oxidácia organických látok za prítomnosti kyslíka.
3. etapa biologickej oxidácie - KREBSOV CYKLUS: cyklus trikarbónových kyselín.
Dekarboxylázy - urýchľujú odbúravanie atómov uhlíka organického substrátu až na oxálacetát a oxid uhličitý.
4. etapa biologickej oxidácie

- úplná oxidácia v dýchacom reťazci
- spojenie kyslíka s vodíkom na vodu za súčasnej tvorby ATP.

Biologická tvorba vody a aeróbna fosforylácia (oxidatívna)
Dehydrogenázy - aktivujú vodík, ktorý sa viaže na NADPH + H+
a prechádza do dýchacieho reťazca cez niekoľkostupňový systém enzýmov (redoxný systém).
Oxidázy - aktivujú kyslík a ním katalyzujú oxidáciu substrátu. Vodík vo forme iónov reaguje s kyslíkom na vodu a postupne sa utvoria 3 ATP.
Oxidatívna fosforylácia - tvorba ATP v dýchacom reťazci.
Energetický efekt dýchania: 38 ATP (50 % je využitých na životné deje rastlín);
Biologický význam dýchania: uvolňovanie energie na dôležité životné deje
- vážny ekonomický faktor, napr. uskladňovanie obilia, ovocia a pod.
Respiračný kvocient RQ: vyjadruje intenzitu dýchania podielom vyprodukovaného CO₂ k spotrebovanému O₂.
Bioluminiscencia - využitie E uvolnenej pri dýchaní na svetielkovanie (enzým luciferín), napr. svetielko jagavé, svätojánska muška, podpňovky pod.

Problémová úloha:

Fotosyntéza a dýchanie sú dva protikladné procesy. Obidva majú základ v redox-reakciách, t.j. pohyboch e- medzi sústavami v rôznych redox-potenciáloch, no napriek tomu sú to deje protichdné. Vymenujte argumenty, prečo!
Riešenie:

• F - energia sa spotrebuje (skladné deje)
• D - energia sa uvolňuje (rozkladné)
• F - z CO₂ a H₂O vznikajú organické látky
• D - z organických látok vzniká CO₂ a H₂O
• F - vzniká O₂
• D - spotrebúva sa O₂
• F - prebieha len v bunkách, ktoré majú plastidy
• D - prebieha vo všetkých bunkách bez rozdielu.

+ SCHÉMA

V. Zadanie domácej úlohy

- osvojenie učiva a vyriešenie nasledovných problémových úloh:

1. Je z energetického hľadiska fotorespirácia výhodná alebo nevýhodná? Vysvetlite!
   Nevýhodná, veľký úbytok čistej produkcie.
2. Navrhnite spôsob zníženia fotorespirácie rastlín!
   Zníženie koncentrácie kyslíka v atmosfére a zvýšenie koncentrácie oxidu uhličitého.
3. Kaktusy (Mexico) a mliečniky (Afrika) sú známe sukulentné rastliny, nútené vzhľadom na životné podmienky šetriť vodu. K tomu musia mať prispôsobený svoj metabolizmus. Logickou úvahou sa pokúste vysvetliť ako!
4. Porovnajte anaeróbnu glykolýzu s oxidatívnou fosforyláciou. Ktorý spôsob je podľa vás vývojovo starší?
   - AG je procesom rozpadu organických látok bez prístupu vzduchu, konečným produktom je ešte zložitá organická látka, kyselina pyrohroznová a dve molekuly ATP;
   - Oxidatívna fosforylácia je dejom aeróbnym, glukóza sa štiepi až na oxid uhličitý a vodu. Nakoľko prvotná zemská atmosféra neobsahovala kyslík, vývojovo starší je proces anaeróbnej glykolýzy, ktorý je jednoduchší.
5. Vysvetlite, kedy je množstvo uvolnenej E v procese dýchania pri štiepení organických látok menšie:

   1. keď prebieha úplná
   2. keď prebieha neúplná oxidácia

6. Pokúste sa vymedziť vonkajšie a vnútorné podmienky, ktoré ovplyvňujú intenzitu dýchania!
7. Vymenujte aspoň tri situácie alebo podmienky, za pôsobenia ktorých rastliny alebo ich časti intenzívnejšie dýchajú!
   - Kvety, súkvetia pri otváraní, krycie pletivá, výslnné rastliny, vysokohorské rastliny.
8. Súvisí dozrievanie plodov s dýchaním? Vysvetlite!
9. Prečo sa neodporúča, aby sa semená siali veľmi hlboko do pôdy alebo do veľmi mokrej pôdy? Vysvetlite!
10. Vymenujte aspoň päť činiteľov, ktoré sú dôležité pri meraní intenzity dýchania!

Učebné úlohy:

1. Akými procesmi môže bunka uvolňovať energiu:

   1. anaeróbnou glykolýzou
   2. bunkovou oxidáciou
   3. fotosyntézou

2. Vyznačte, ktoré látky sa spotrebúvajú pri dýchaní:

   1. organické
   2. anorganické
   3. anorganické a organické

3. Koľko molekúl ATP vzniká z l molekuly glukózy v celom cykle biologickej oxidácie:

   1. 36
   2. 38
   3. 28

4. Prečo mitochondrie nazývame energetická továreň bunky? Vysvetlite!
5. Vymenujte štyri etapy biologickej oxidácie a napíšte jej produkty!
6. Prečo je aeróbna oxidácia efektívnejšia ako anaeróbna?
7. Čo je respiračný kvocient rastlín (RQ)? Vysvetlite!
8. Ako nazývame organizmy, ktoré sú celkom závislé od existenice kyslíka v atmosfére?
9. Uveďte, ktoré z nasledovných rastlinných organizmov dýchajú intenzívnejšie:

   1. mladé klíčiace semená
   2. suché semená
   3. výslnné rastliny