К ним относятся вода и минеральные соли.
Вода необходима для осуществления жизненных процессов в клетке. Ее содержание составляет 70-80% от массы клетки. Основные функции воды:
представляет собой универсальный растворитель;
является средой, в которой протекают биохимические реакции;
определяет физиологические свойства клетки (упругость, объем);
участвует в химических реакциях;
поддерживает тепловое равновесие организма благодаря высокой теплоемкости и теплопроводности;
является основным средством для транспорта веществ.
Минеральные соли присутствуют в клетке в виде ионов: катионы К + , Na + , Ca 2+ , Mg 2+ ; анионы – Cl - , HCO 3 - , H 2 РО 4 - .
3. Органические вещества клетки.
Органические соединения клетки состоят из многих повторяющихся элементов (мономеров) и представляют собой крупные молекулы - полимеры. К ним относят белки, жиры, углеводы и нуклеиновые кислоты. Их содержание в клетке: белки -10-20%; жиры - 1-5%; углеводы - 0,2-2,0%; нуклеиновые кислоты - 1-2%; низкомолекулярные органические вещества – 0,1-0,5%.
Белки – высокомолекулярные (с большой молекулярной массой) органические вещества. Структурной единицей их молекулы является аминокислота. В образовании белков принимают участие 20 аминокислот. В состав молекулы каждого белка входят только определенные аминокислоты в свойственном этому белку порядке расположения. Аминокислота имеет следующую формулу:
H 2 N – CH – COOH
В состав аминокислот входят NH 2 – аминогруппа, обладающая основными свойствами; СООН – карбоксильная группа с кислотными свойствами; радикалы, отличающие аминокислоты друг от друга.
Существуют первичная, вторичная, третичная и четвертичная структуры белка. Аминокислоты, соединенные между собой пептидными связями, определяют его первичную структуру. Белки первичной структуры с помощью водородных связей соединяются в спираль и образуют вторичную структуру. Полипептидные цепи, скручиваясь определенным образом в компактную структуру, образуют глобулу (шар) - третичная структура белка. Большинство белков имеет третичную структуру. Следует отметить, что аминокислоты активны только на поверхности глобулы. Белки с глобулярной структурой объединяются и формируют четвертичную структуру (например, гемоглобин). При воздействии высокой температуры, кислот и других факторов сложные белковые молекулы разрушаются – денатурация белка . При улучшении условий денатурированный белок способен восстанавливать свою структуру, если не разрушается его первичная структура. Этот процесс называется ренатурацией.
Белки отличаются видовой специфичностью: для каждого вида животных характерен набор определенных белков.
Различают белки простые и сложные. Простые состоят только из аминокислот (например, альбумины, глобулины, фибриноген, миозин и др.). В состав сложных белков, кроме аминокислот, входят и другие органические соединения, например, жиры и углеводы (липопротеиды, гликопротеиды и др.).
Белки выполняют следующие функции:
ферментативную (например, фермент амилаза расщепляет углеводы);
структурную (например, входят в состав мембран и др. органоидов клетки);
рецепторную (например, белок родопсин способствует лучшему зрению);
транспортную (например, гемоглобин переносит кислород или углекислый газ);
защитную (например, белки иммуноглобулины участвуют в формировании иммунитета);
двигательную (например, актин и миозин участвуют в сокращении мышечных волокон);
гормональную (например, инсулин превращает глюкозу в гликоген);
энергетическую (при расщеплении 1 г белка выделяется 4,2 ккал энергии).
Жиры (липиды) - соединения трёхатомного спирта глицерина и высокомолекулярных жирных кислот. Химическая формула жиров:
CH 2 -O-C(O)-R¹
CH 2 -O-C(O)-R³, где радикалы могут быть разными.
Функции липидов в клетке:
структурная (принимают участие в построении клеточной мембраны);
энергетическая (при распаде в организме 1 г жира выделяется 9,2 ккал энергии);
защитная (сохраняют от потери тепла, механических повреждений);
жир – источник эндогенной воды (при окислении 10 г жира выделяется 11 г воды);
регуляция обмена веществ.
Углеводы – их молекулу можно представить общей формулой С n (Н 2 О) n – углерод и вода.
Углеводы делят на три группы: моносахариды (включают одну молекулу сахара - глюкоза, фруктоза и др.), олигосахариды (включают от 2 до 10 остатков моносахаридов: сахароза, лактоза) и полисахариды (высокомолекулярные соединения – гликоген, крахмал и др.).
Функции углеводов:
служат исходными элементами для построения разнообразных органических веществ, например, при фотосинтезе - глюкоза;
основной источник энергии для организма, при их разложении с использованием кислорода выделяется больше энергии, чем при окислении жира;
защитная (например, слизь, выделяемая различными железами, содержит много углеводов; она предохраняет стенки полых органов (бронхи, желудок, кишечник) от механических повреждений; обладая антисептическими свойствами);
структурная и опорная функции: входят в состав плазматической мембраны.
Нуклеиновые кислоты – это фосфорсодержащие биополимеры. К ним относятся дезоксирибонуклеиновая (ДНК) и рибонуклеиновая (РНК) кислоты .
ДНК - самые крупные биополимеры, их мономером является нуклеотид . Он состоит из остатков трех веществ: азотистого основания, углевода дезоксирибозы и фосфорной кислоты. Известны 4 нуклеотида, участвующие в образовании молекулы ДНК. Два азотистых основания являются производными пиримидина – тимин и цитозин. Аденин и гуанин относят к производным пурина.
Согласно модели ДНК, предложенной Дж. Уотсоном и Ф. Криком (1953), молекула ДНК представляет собой две спирально обвивающие друг друга нити.
Две нити молекулы удерживаются вместе водородными связями, которые возникают между их комплементарными азотистыми основаниями. Аденин комплементарен тимину, а гуанин – цитозину. ДНК в клетках находится в ядре, где она вместе с белками образует хромосомы . ДНК имеется также в митохондриях и пластидах, где их молекулы располагаются в виде кольца. Основная функция ДНК – хранение наследственной информации, заключенной в последовательности нуклеотидов, образующих ее молекулу, и передача этой информации дочерним клеткам.
Рибонуклеиновая кислота одноцепочечная. Нуклеотид РНК состоит из одного из азотистых оснований (аденина, гуанина, цитозина или урацила), углевода рибозы и остатка фосфорной кислоты.
Различают несколько видов РНК.
Рибосомальная РНК (р-РНК) в соединении с белком входит в состав рибосом. На рибосомах осуществляется синтез белка. Информационная РНК (и-РНК) переносит информацию о синтезе белка из ядра в цитоплазму. Транспортная РНК (т-РНК) находится в цитоплазме; присоединяет к себе определенные аминокислоты и доставляет их к рибосомам – месту синтеза белка.
РНК находится в ядрышке, цитоплазме, рибосомах, митохондриях и пластидах. В природе есть еще один вид РНК – вирусная. У одних вирусов она выполняет функцию хранения и передачи наследственной информации. У других вирусов данную функцию выполняет вирусная ДНК.
Аденозинтрифосфорная
кислота
(АТФ)
- является особым нуклеотидом, образованным
азотистым основанием аденином, углеводом
рибозой и тремя остатками фосфорной
кислоты. 
АТФ – универсальный источник энергии, необходимой для биологических процессов, протекающих в клетке. Молекула АТФ очень неустойчива и способна отщеплять одну или две молекулы фосфата с выделением большого количества энергии. Эта энергия расходуется на обеспечение всех жизненных функций клетки – биосинтеза, движения, генерации электрического импульса и др. Связи в молекуле АТФ называются макроэргическими. Отщепление фосфата от молекулы АТФ сопровождается выделением 40 кДж энергии. Синтез АТФ происходит в митохондриях.
Тема:«Химический состав клеток.
Неорганические соединения клетки».
Цели урока:
1. Расширение и углубление знаний учащихся о роли металлов в жизнедеятельности человеческого организма.
2. Развитие навыков самостоятельной работы; умения использовать знания, полученные ранее при изучении биологии и химии; работать с таблицами; сравнивать, анализировать, делать выводы.
3. Воспитание бережного отношения к здоровью человека, чувства коллективизма, ответственности за общее дело.
Задачи:
1. Познакомить учащихся с биологически важными химическими элементами, входящими в состав клетки.
2. Рассмотреть особенности строения молекулы воды в связи с ее функциями в клетке. Объяснить важность воды как основного неорганического вещества клетки.
3. Изучить значение катионов и анионов в жизнедеятельности клеток.
4. Подвести к выводу о единстве живой и неживой природы на основе знаний об элементарном составе клеток.
Оборудование: Таблица «Содержание химических элементов в клетке», «Макро-микро элементы», карточки с химическими символами, оборудование для демонстрации лабораторного опыта, видеофильм.
Ход урока.
Актуализация нового материала.
В состав живых клеток входит более 90 химических элементов периодической системы Д.И.Менделеева, встречающихся и в неживой природе. Однако, соотношение химических элементов и их вклад в образование веществ, составляющих живой организм, резко отличается от объектов неживой природы. Так, в неорганическом мире преобладают фосфор, кремний, магний, железо, алюминий и др. Содержание элементов в живых клетках находится в другой пропорции.
Обращаем внимание на эпиграф, написанный на доске. «Я знаю, люди состоят из атомов, частиц, как радуги из светящихся пылинок или фразы из букв. Стоит изменить порядок, и наш смысл меняется». (А.Вознесенский). С небольшой поправкой на поэтическую вольность этот тезис можно принять.
Комбинируя по-разному эти элементарные «кирпичики», природа создала все разнообразие царств живой природы – более 2,5 млн. живых существ. И даже эти цифры все время меняются, ученые ежегодно открывают более 10 тысяч новых видов и подвидов животных и 5 тысяч видов растений.
И все это многообразие живой природы состоит из одних и тех же химических элементов, из которых львиная доля приходится всего на 25, а остальные – в следовых количествах.
О роли этих элементов и веществах, которые они образуют, нам предстоит узнать на ближайших уроках.
I. Атомный состав клеток.
Элементы, по их содержанию в живых клетках можно условно разделить на три группы.
1. Макроэлементы.
Их концентрация колеблется от 60% до 0,001% массы тела.
Шесть первых наиболее значимы по их количеству от общей массы клетки.
Кислород – O (более 60%).
Углерод – С (15-18%).
Водород – Н (8-10%).
Азот – N (1,5-3%).
Фосфор – Р (0,2-1%).
Сера – S (0,15-0,2%).
На долю этих шести элементов приходится более 98% от массы клетки, поэтому такие элементы называют биоэлементами.
О первых четырех элементах этого списка немецкий поэт Фридрих Шиллер написал:
Силы четыре,
Соединяясь,
Жизнь образуют,
Мир создают.
К этой группе также относятся K, Na, Cl, Ca, Mg , Fe и некоторые другие.
Рассмотрим роль этих элементов в объектах живой природы.
1. Кислород. Входит в состав воды и всех органических молекул: белков, жиров, углеводов, нуклеиновых кислот. Важная роль в обмене веществ, как окислителя для получения энергии.
2. Водород. Также входит в состав воды и всех органических соединений. Ионы водорода создают кислую среду и способствуют протеканию многих реакций, например, для пищеварения в желудке.
Особенно чувствителен организм к увеличению или уменьшению водорода, точнее иона водорода, от которого зависит кислотность внутренней среды
Если кровь станет на 8-10% кислее, чем нужно, или наоборот, это может привести к гибели человека.
3. Углерод. Базовый строительный материал всех органических соединений. Вспомните, ведь органическая химия изучает углеводороды и их производные.
4. Азот. Входит в состав основного строительного материала клетки – в белки. Кроме того, входит в состав ДНК и РНК, АТФ.
5. Фосфор. Участвует в энергетическом обмене, так как является составляющей частью АТФ. Соли фосфора входят в состав костей, придавая им твердость. Недостаток фосфора приводит к рахиту, снижает мышечную и умственную деятельность.
6. Сера. В основном, встречается в белках. Входит в состав витамина В1 и некоторых ферментов. Особенно большое значение имеет для хемосинтезирующих бактерий.
7. Калий и натрий. Ионы этих металлов обеспечивают разность потенциалов по разные стороны клеточной мембраны, что делает возможным работу клетки. Образуют так называемый калие-натриевый барьер.
Ион натрия окружен оболочкой воды, поэтому потеря натрия ведет и к потере воды, а избыток – скопление лишней жидкости в организме, что приводит к гипертонии.
8. Железо. Около 55% железа находится в эритроцитах, входит в состав белка гемоглобина. Примерно 21% откладывается «про запас» в печени и селезенке. Людям, страдающим железодефицитной анемией необходимо употреблять мясо, а чай – ограничить, так как из-за дубильных веществ в чае, они образуют трудно расщепляемый в организме комплекс.
9. Кальций. Необходим для нормального развития скелета, работы нервной системы. При избытке кальция развивается мочекаменная болезнь. Способствует свертыванию крови. Входит в состав хлорофилла.
Раздать учащимся таблицы «Макро-микро элементы» с предложением самостоятельно выписать значение для жизни живых существ макроэлементов (2-3 элемента по выбору учащихся).
Не надо забывать, что недостаток того или иного элемента опасен и даже губителен для организма. Однако, избыток также опасен для живых клеток. Еще Парацельс говорил, что лишь мера определяет, быть веществу вредным или полезным.
Это золотое правило также справедливо и для химических элементов, речь о которых пойдет ниже.
2. Микроэлементы.
К этой группе относятся в основном ионы тяжелых металлов, составные компоненты ферментов, гормонов и других жизненно важных соединений.
Содержатся в организме в количестве 0,001-0,000001%.
Таковыми являются марганец (Mn), бор (B), кобальт (Co), медь (Cu), молибден (Mo), цинк (Zn), йод (I), бром (Br), алюминий (Ai), фтор (F).
Вашему вниманию предлагается сообщение, подготовленное учащимися, о роли некоторых микроэлементов в жизнедеятельности объектов живой природы. (Приложение №1).
По ходу рассказа докладчика учащимся предлагается делать записи в тетради.
О роли других микроэлементов – рассказ учителя с элементами беседы.
7. Йод. Оказывает влияние на функцию щитовидной железы. Недостаток ведет к образованию зоба.
8. Бром. Участвует в реакциях, которые уравновешивают процессы возбуждения и торможения в коре головного мозга. Больше всего брома в мозге, также встречается в печени и почках.
Персонажи многих книг, написанных в прошлом веке, чтобы успокоиться, «принимали бром». Не сам бром, разумеется, а растворы бромистого натрия или бромистого калия.
9.Алюминий. Вы помните песню группы «Кино» «Алюминиевые огурцы»? Этот металл, действительно, имеется в больших количествах в растениях, они содержат в 5-50 раз больше алюминия, чем продукты животного происхождения. В организме человека больше всего алюминия содержится в легких (5,59%), костях, головном мозге, почках. Алюминий связан с белками, принимает участие в построение эпителиальной и соединительной ткани, увеличивает выработку соляной кислоты в желудке. У больных хроническим алкоголизмом содержание в крови резко увеличивается, а при токсикозе беременных и нефропатии – снижается.
10. Фтор. Недостаток ведет к кариесу зубов, переизбыток вызывает флюороз (пятнистость эмали зубов).
Обратиться к таблице «Макро-микроэлементы» для самостоятельной записи в тетрадь роли 1-2 микроэлементов.
3. Ультрамикроэлементы.
Их концентрация не превышает 0,000001%.
К ним относятся редкие элементы: уран (U), радий (Ra), золото (Au), ртуть (Hg), бериллий (Be), цезий (Cs), селен (Se) и другие. Роль этих элементов практически неизвестна, ее еще предстоит изучить. Однако, о некоторых из них имеются данные.
Ртуть. Присутствует в молекулах ДНК и, возможно, участвует в передачи наследственной информации.
Селен. Значительная концентрация этого элемента в сетчатке глаз говорит о том, что он необходим для восприятия света. У животных, не получающих селена, разрушаются кровяные тельца. С другой стороны, он входит в состав яда самого опасного гриба – бледной поганки.
II Молекулярный состав клеток.
Одни и те же химические элементы входят в состав как неорганических веществ (воды и минеральных солей), характерных и для живых организмов и существующих в неживой природе, так и органических веществ – углеводов, липидов, белков, нуклеиновых кислот, характерных только для живых соединений.
Химические соединения клетки
↓ ↓
неорганические: органические:
1. вода; 1. белки;
2. минеральные 2. жиры;
соли. 3. углеводы;
4. нуклеиновые кислоты;
и д.р.
1. Вода.
Вода – одно из самых распространенных веществ на Земле. Все живые вещества состоят из воды. В среднем, в живой клетке воды 70 – 80%. Так, в крови и лимфе человека 92% воды, в сером веществе головного мозга – 85%, 20% - в костной ткани, 10% - в эмали зубов, самом твердом веществе человеческого тела. В теле медузы или в плодах огурцов – до 98%.
Вода в клетках находится в двух состояниях: свободной и связанной.
Свободная вода – 95% от всей воды в клетке, она-то и участвует в физиологических процессах, а связанная – 4-5%, непрочно соединена с белками.
Что же это за вещество – вода, такое простое и такое необходимое нашему организму?
Прежде, чем мы поговорим о свойствах воды, хочется зачитать одно известное высказывание, которое по праву можно назвать «Одой воде».
«Вода! Ты не имеешь ни вкуса, ни цвета, ни запаха, тебя невозможно описать. Тобой наслаждается человек, не понимая, что ты есть на самом деле. Нельзя сказать, что ты необходима для жизни, ты – сама жизнь. Ты везде и всюду даешь ощущение блаженства, которое нельзя понять ни одним из наших пяти органов чувств. Ты возвращаешь нам силу. Твое милосердие заставляет вновь ожить высохшие источники нашего сердца. Ты – самое большое богатство в мире, … но можно умереть около источника, если его воды несут примесь магнезии. Можно умереть и в двух шагах от озера, если оно соленое. Человек может умереть и тогда, когда он имеет два литра росы, но она содержит примеси вредных солей. Ты не терпишь примесей, не терпишь ничего из того, что тебе чуждо. Ты богатство, которое легко можно спугнуть, но ты даешь нам такое простое и бесконечное счастье», - этот восторженный гимн воде написал французский писатель и летчик Антуан де Сент-Экзюпери, которому пришлось испытать на себе муки жажды в раскаленной пустыне.
Просмотр отрывка учебного видеофильма «Вода».
Значение воды.
1. Универсальный растворитель.
Это свойство воды можно доказать, рассмотрев строение молекулы воды.
О-2
/ \
Н+ Н+
Вода – диполь, молекула полярная, один ее конец заряжен частично положительно, другой – частично отрицательно. В связи с этим молекулы воды могут приобретать определенную ориентацию в электрическом поле, а также взаимодействовать с ионами или заряженными группами различных соединений, образуя вокруг них гидратную оболочку. Этим объясняется способность воды хорошо растворять большое количество неорганических и полярных органических соединений (различных солей, углеводов, аминокислот, многих белков и т.д.). По отношению к воде все вещества можно условно разделить на две группы.
Демонстрация опытов (с привлечением учащихся)
Растворить в воде следующие вещества:
а) поваренную соль,
б) этиловый спирт,
в) сахарозу,
г) растительное масло.
Вопрос: почему одни вещества в воде растворяются, а другие – нет?
Дать понятие гидрофильных и гидрофобных веществ.
А) Гидрофильные вещества – хорошо растворимые в воде. Пример: соли, сахара, аминокислоты.
Б) Гидрофобные вещества – нерастворимые в воде. Пример: жиры, целлюлоза.
2. Теплопроводность – равномерное распределение тепла между тканями тела.
Это свойство позволяет организму поддерживать одинаковую температуру во всем его объеме.
3. Теплоёмкость – способность поддерживать тепловой баланс организма при значительных перепадах температуры в окружающей среде.
Это свойство можно проиллюстрировать примером из неживой природы. Если нагревать равные количества разных веществ, то вода поглощает тепла больше в 5 раз по сравнению с песком, в 10 и 33 раза больше по сравнению с железом и платиной и во столько же раз дольше удерживает это тепло.
Океаны, моря, реки, озера, поглощая летом огромное количество солнечной энергии, зимой отдают ее в окружающее пространство, смягчая климат Земли.
4. Терморегуляция. Примеры: испарение листьев – транспирация, потоотделение.
5. Источник кислорода при фотосинтезе. При фотолизе воды свободный кислород как побочный продукт поступает в атмосферу.
6. Другие свойства воды: тургор (напряженное состояние клеточных стенок растительных клеток), участвует в образовании смазывающих жидкостей (с суставах, околосердечной сумке), выделение веществ (пот, моча, слезы, слюна).
2. Минеральные соли и их значение.
Помимо воды, в числе неорганических веществ клетки нужно обратить внимание на соли, подавляющее большинство которых находится в ионном соединении.
О роли многих катионов и анионов солей мы подробно говорили в начале урока, уделяя внимание тем или иным химическим элементам, входящим в состав живых клеток.
От концентрации ионов внутри клетки зависят ее буферные свойства, то есть поддержание слабощелочной реакции содержимого клетки. Это свойство в основном обеспечивают анионы слабых кислот: фосфорной и угольной.
Буферность – способность клетки поддерживать слабощелочную реакцию среды.
В нашем организме не хватает ионов натрия и хлора, хотя большинство других ионов поступает к нам в основном с овощами и фруктами. Поваренную же соль нам необходимо вносить в пищу искусственно.
О значении поваренной соли мы послушаем сообщение учащегося. (Приложение№2)
Прежде, чем подвести итоги сегодняшнего урока, мы послушаем еще одно полушутливое сообщение и рассмотрим плакат о содержании того или иного элемента или вещества в теле человека. (Приложение №3)
III. Закрепление изученного материала.
Задание № 1.
Обсудите в группах предложенные вашему вниманию тексты с ошибками. Некоторые тезисы в этом тексте ошибочны. Найдите и исправьте эти ошибки.
Текст с ошибками.
1.В состав клеток живых организмов входит более 90 из известных науке химических элементов.
2.Преобладающими элементами в живых клетках являются водород, фосфор, кремний, натрий и калий.
3. Элементы, на долю которых приходится более 98% клетки называют биоэлементами.
4. Все элементы условно делят на макро-, микро- и ультрамикроэлементы.
5. Примерами микроэлементов являются кальций, натрий, хлор, микроэлементов – медь, азот, сера; ультрамикроэлементов – селен, золото, бром.
6. Пространственная структура воды обеспечивает ее свойства как универсального растворителя.
7. Клетки теплокровных животных способны удерживать постоянную температуру тела за счет такого свойства воды, как теплопроводность.
8. Буферность – способность клеток обеспечивать нейтральную рН-среду.
9. Недостаток йода в организме приводит к нарушению работы щитовидной железы, а недостаток цинка разрушает зубную эмаль.
10. Знания об элементарном строении живых клеток позволяет сделать вывод о единстве живой и неживой природы.
Задание № 2. Дополнительное.
Значение химических элементов в живых организмах.
Если вы разгадаете названия химических элементов в горизонтальных столбцах, то узнаете какой радиоактивный элемент содержится в организме человека в количестве 0,09мг (из расчета массы тела 70кг).
1. Углерод
2. бРом
3. кАльций
4. селеН
Вопросы.
1. Один из биоэлементов.
2. Микроэлемент, уравновешивающий процессы возбуждения и торможения в коре головного мозга.
3. Наибольшее количество этого макроэлемента находится в костной и зубной ткани.
4. Этот редкий ультрамикроэлемент входит в состав яда самого ядовитого гриба – бледной поганки.
IV Итоги.
Подведение итогов урока. Выставление оценок. Запись домашнего задания.
Приложение №1
МИКРОЭЛЕМЕНТЫ
ФТОР.
Фтор и жизнь. Казалось бы, такое словосочетание не совсем правомерно.
И все-таки оправадно. Впервые это доказал слон… обычный, правда, ископаемый слон, найденный в окрестностях Рима. В его зубах был обнаружен фтор. В его зубах случайно был обнаружен фтор. Это открытие побудило ученых провести систематическое изучение химического состава зубов человека и животных.
Оказалось, что в состав зубов входит до 0,02% фтора, который поступает в организм человека с питьевой водой. Обычно в тонне питьевой воды содержится 0,2 мг фтора. В результате накопления фтора в почве повышается его содержание в питьевой воде и в растениях, что неблагоприятно сказывается на здоровье населения.
В суточном рационе содержится до 1,6 мг фтора. При систематическом использовании воды, содержащей избыточные количества фтора, у населения развивается эндемический флюороз. Отмечается характерное поражение зубов(крапчатость эмали), нарушение процессов окостенения скелета, истощение организма. Флюороз зубов проявляется в виде непрозрачных опалесцирующих меловидных полосок или пятнышек, которые со временем увеличиваются, появляется пигментация эмали темно-желтого или коричневого цвета, наступают необратимые ее изменения. желых случаях отмечаются генерализованный остеосклероз или диффузный остеопороз костного аппарата. Избыточные количества фтора снижают обмен фосфора и кальция в костной ткани, нарушают углеводный, белковый и другие обменные процессы, угнетают тканевое дыхание и пр. Фтор является нейротропным ядом(происходит снижение подвижности нервных процессов).
Если избыток фосфора вызывает эндемический флюороз, то дефицит этого микроэлемента (меньше 0,5 мг/л) в сочетании с другими факторами (нерациональное питание, неблагоприятные условия труда и быта) вызывает кариес зубов.
ЦИНК.
Цинк – обязательная составная часть фермента крови, этот элемент ускоряет выделение углекислого газа в легких. Много цинка содержится в яде кобры и гадюки, но в то же время известно, что соли цинка угнетают активность этих самых ядов, как показал опыт под действием солей цинка яды не разрушаются. Считается, что высокое содержание цинка в яде – это то средство, которым змея защищается от собственного яда. Сравнительно недавно установлено, что в биологических молекулах – ДНК и РНК и белках в клетках при злокачественном перерождении растет содержание ионов некоторых металлов. Концентрация цинка увеличивается в 1,5 – 2 раза и даже втрое. Причина пока неизвестна, но это может указать путь к ранней диагностике рака.
Биологическая роль цинка двоякая и не до конца выяснена. Установлено, что цинк - обязательный компонент фермента карбоангидразы, содержащийся в эритроцитах. Также было показано, что цинк играет известную роль в метаболизме нуклеиновых кислот и белка. Одну из теорий возникновения сахарного диабета также связывают с недостатком цинка в организме
Приложение № 2
СОЛИ
Помимо воды, важнейшие из неор¬ганических веществ живого организма - минераль¬ные соли. Из нерастворимых солей строятся кости позвоночных животных (фосфат кальция), ракови¬ны моллюсков, оболочка птичьих яиц (карбонат кальция). Растворённые соли в каждой клетке со¬ставляют 1% от её массы. Роль их в жизнедеятель¬ности клетки чрезвычайно многообразна.
Самая известная соль - поваренная, хлористый натрий. Гулливер, герой знаменитого произведения Джонатана Свифта, в одном из своих путешествий оказался без поваренной соли. Он рассказывал: «Сначала я очень болезненно ощущал отсутствие соли, но скоро привык обходиться без неё, и я убеждён, что распространённое употребление этого вещества есть результат невоздержанности. Ведь мы не знаем ни одного животного, которое любило бы соль».
Однако Гулливер ошибался. Травоядные живот¬ные постоянно испытывают солевой голод и жадно слизывают соль всюду, где находят. А вот плотояд¬ные животные, действительно, получают достаточно поваренной соли с поедаемым ими мясом.
Точно так же питающиеся мясом и рыбой эскимосы и чукчи прекрасно обходятся без соли. Помните реакцию на солёную пищу персонажа романа Даниэля Дефо «Приключения Ро¬бинзона Крузо» - Пятницы, никогда не пробовавшего соли? «Он удивился, зачем я ем суп и мясо с солью. Он стал показывать мне знаками, что с солью не вкусно. Взяв в рот щепотку соли, он принялся отплёвываться и сделал вид, что его тошнит от неё, а потом выполо¬скал рот водой. ...Лишь долгое время спустя он начал класть соль в кушанье, да и то немного». Вероятно, Пятница до встречи с Робинзо¬ном питался в основном животной пищей.
Надо сказать, что поваренная соль сыграла большую роль в истории человечества: служила заменителем денег, являлась причиной «соля¬ных бунтов» (Московский соляной бунт 1648 г., вызванный тем, что правительство подняло налог на соль; подобные бунты прокатились тогда по многим городам России) и «соляных походов протеста» (в Индии в начале XX в. - когда в знак неповиновения английским властям, обладавшим монополией на производство соли, её выпари¬вали из морской воды).
Соль необходима живым организмам. В то же время избыток соли вреден. Увлекаясь такими продуктами, как соленья, сельдь, колбасы, люди вводят в организм слишком много соли. В сутки организму необходимо 8-9 г соли, но человек потребляет обычно вдвое большее её количество. Это приводит к повышенному кровяному давлению (гипертонии). Япония, где каждый житель потребляет около 30 г соли в день, держит первенство по числу больных этой болезнью.
Приложение №3
В фантастическом рассказе американского пи¬сателя Артура Порджесса крошечный божок Йип хотел отблагодарить героя рассказа за ока¬занную услугу, выполнив любую его просьбу. Но божок был очень мал, и стоимость награды не могла превышать двух долларов. В конце концов Йип помог герою покорить сердце любимой де¬вушки. Причём главное условие не было нару¬шено - ведь, как утверждает писатель, «стоимость всех химических веществ, входящих в состав организма человека весом около 70 кг, составляет 1 доллар 98 центов».
В организме человека, весящего 70 кг, - 45,5 кг кислорода, 12,6 кг углерода, 7 кг водоро-да, 2,1 кг азота, 1,4 кг кальция, 700 г фосфора. Всех остальных элементов, вместе взятых (в основном калия, серы, натрия, хлора, магния, железа и цинка), - около 700 г. Вот всё это «богатство» и стоило, по подсчётам писателя, 1 дол¬лар 98 центов.
Всего в живых клетках можно найти около 70 химических элементов таблицы Менделеева. Среди них имеются даже такие ядовитые и экзотические, как олово, свинец, мышьяк, золото.
Для тех, кому «стоимость чело¬века», подсчитанная американским писателем, по¬казалась возмутительно низкой, мы можем привес¬ти возражение профессора Йельского университета Г. Моровица против этого подсчёта. Он заметил, что подсчитывать надо стоимость не элементов, вхо¬дящих в состав организма (углерода, кислорода и т. д.), а сложных органических соединений (бел¬ков, углеводов и др.). При таком подсчёте стоимость уже только одних гормонов человека (о которых рассказано ниже) составит миллионы долларов - целое состояние!
МАКРО-МИКРО ЭЛЕМЕНТЫ
Минеральные вещества
Физиологическая роль Реакция организма на недостаток или избыток веществ В каких продуктах высокое содержание элемента
Макро-элементы
Регуляция кровяного давления, водного обмена
Избыток – удержание воды, нагрузка на почки, сердце, ведет к гипертонии
Хлеб, мясные и рыбные консервы, колбасы
КАЛИЙ Водный обмен, выделение мочи, гомеостаз крови, нормализует кровяное давление Недостаток сказывается на деятельности сердца Растительная пища: капуста, бобовые, яблоки, тыква, абрикосы, персики
ФОСФОР Образует минеральную основу скелета, работа нервных клеток Недостаток – рахит, снижение умственной деятельности, переизбыток – выведение кальция из костей Мясо, рыба, яичный желток, сыр, молоко, бобовые, хлеб, крупы
КАЛЬЦИЙ Основа костной ткани, развитие зубов, процессы в нервной и мышечной тканях, участие в свертывании крови, противовоспалительное действие Недостаток – плохое развитие скелета, повышенная нервная и мышечная возбудимость, спазмам. При избытке – мочекаменная болезнь Молоко, сыр, брынза, йогурт, творог, рыба, мясо, яичный желток, ржаной хлеб, овощи, фрукты
Микро-
элементы
Работа гормона щитовидной железы – тироксина
Недостаток – эндемический зоб, микседема, избыток- Базедова болезнь
Морская рыба, морепродукты
ФТОР В составе зубной эмали Недостаток – кариес, избыток- флюороз (пятнистость эмали)
Морская рыба, морепродукты, чай
ЦИНК Без цинка человек не растет. Цинк предохраняет печень и желчь от вредных веществ, предупреждает диабет (входит в состав гормона инсулина) Недостаток – нарушение роста, полового развития, заживление ран идет медленно. При избытке появляются приступы слабости, опасность отравления Мясо, печень, бобовые, овсяные хлопья, бананы, хлеб из цельного зерна, молоко, молочные продукты, овощи
Назад
Вперёд
Внимание! Предварительный просмотр слайдов используется исключительно в ознакомительных целях и может не давать представления о всех возможностях презентации. Если вас заинтересовала данная работа, пожалуйста, загрузите полную версию.
Цели:
- Выявление роли химических элементов, органических и неорганических веществ в жизни клетки и организма; показать единство живой и неживой природы на основе знаний об элементарном составе клетки; формирование и расширение знаний о органических веществах клетки;
- Развитие умений конспектировать лекции, работать со схемами, текстом учебника, анализировать, делать выводы.
- Воспитание уважительного отношения к окружающему миру, культуры общения.
План лекции:
1. Разделение химических элементов по количественному содержанию.
2. Вода, ее содержание и роль в клетке.
3. Минеральные соли и их значение.
4. Органические вещества клетки. Мономеры и биополимеры. Углеводы, их классификация.
5. Липиды, их классификация.
6. Белки, их строение, свойства.
7. Нуклеиновые кислоты, их характеристика, функции.
8. АТФ, ее строение и значение.
1. В состав живой клетки входит около 90 химических элементов, 25 их них обнаружены практически во всех клетках. Эти химические элементы необходимы для их жизнедеятельности. Они же встречаются в неживой природе. Но количественное соотношение химических элементов в живой и неживой природе разное. (слайд 3)
Какие химические элементы являются самыми распространенными в земной коре? (фосфор, магний, кремний, железо, алюминий, натрий, кальций, кислород - вместе - 98 % массы земной коры).
По количественному содержанию в живых системах все химические элементы подразделяются на три группы: (слайд 21)
1. Макроэлементы - химические элементы в сумме составляющие около 98 % всего содержимого клетки (H , N,O, C). (слайд 22)
2. Микроэлементы - химические элементы в сумме составляют около 1,9 % всего содержимого клетки. (слайд 24)
3. Ультрамикроэлементы - химические элементы, в сумме составляющие около 0, 02 % (Zn, Cu, I, F и т. д). (слайд 25)
Давайте обратимся к таблице " Биологически важные химические элементы клетки" на странице 11 учебника и ознакомимся со значением химических элементов для клетки и организма.
Почему N, C, H,O,S, Р называют биоэлементами? (слайд 23)
2. Вода - самое распространенное в живых организмах неорганическое вещество, обязательный ее компонент, среда обитания для многих организмов, главный растворитель клетки. (слайд 3)
Приводим строки стихотворения М. Дудника: (слайд 5)
Говорят, что из восмидесяти процентов воды состоит человек,
Из воды, добавлю, родных его рек,
Из воды, добавлю, дождей, что его напоили,
Из воды, добавлю, из древней воды родников,
Из которых, деды и прадеды пили.
О каком значении воды говорится в стихотворении?
Почему одни вещества в воде растворяются, а другие - нет?
Демонстрационный опыт (может проводить ученик - помощник):
Растворить в воде следующие вещества: поваренную соль, этиловый спирт, сахарозу, растительное масло.
Что произошло с каждым из веществ? Почему?
Вода обладает рядом свойств, благодаря способности своих молекул связываться друг другом при помощи водородных связей. Молекула воды полярна - диполь. Положительные заряды сосредоточены у атомов водорода, так как кислород электроотрицательнее водорода. Отрицательно зараженный атом кислорода одной молекулы вода притягивается к положительно заряженному атому водорода другой молекулы с образованием водородной связи. Водородная связь слабее ковалентной связи, поэтому она легко разрывается.(слад 8). Таким образом, в жидкой воде молекулы подвижны, они легко проникают через клеточные мембраны. Это очень важно для процессов обмена веществ.(Рисунок 1. на стр. 9.)
Гидрофильные вещества - хорошо растворимые в воде вещества.
Гидрофобные вещества - плохо растворимые в воде вещества.
С помощью учебника в группах нужно заполнить таблицу " Свойства и значение воды". (слайд 9 -18)
Закрепление изученного материала: (слайд 19)
В ясный весенний день температура воздуха + 10 С, влажность 80 %. Будут ли ночью заморозки? Почему?
3. Минеральные соли - неорганические вещества в клетке, в виде солей. (слайд 26, 27)
Катионы: К + , Na + , Ca +2 .
Буферность - способность клетки поддерживать относительное постоянство слабощелочной среды.
Анионы - H 2 PO 4 - (внутри клетки); Н 2 СО 3 - (кровь и МКВ).
Анионы и аминокислоты связываются протонами водорода и гидроксильной группой воды и рН среды не меняется.
4. Кроме неорганических веществ в состав клетки входят и органические вещества . (слайд 27 )
Углеводы - С n (Н 2 О) m
Углеводы бывают: Простые (моносахариды) и сложные (олигосахариды и полисахариды)
Моносахариды (бесцветные вещества, сладкие на вкус, хорошо растворяются в воде):
Пентозы (рибозы С 5 Н 10 О 5 ; дезоксирибозы - С 5 Н 10 О 4) ;
Гексозы (глюкоза, фруктоза и галактоза - С 6 Н 12 О 6); Тетрозы (4 атома С); Триозы (3 атома С).
Олигосахариды (от 2 до 10 моносахарных остатков. Хорошо растворяются в воде):
Мальтоза (солодовый сахар); Сахароза (свекловичный сахар); Лактоза (молочный сахар).
Полисахариды (плохо растворяются в воде, без вкуса, состоят до 300 молекул глюкозы))
Крахмал; Муреин; Гликоген; Хитин; Целлюлоза и т.д.
Функции углеводов.
Изучив статью учебника на стр. 14 и заполните схему "Функции углеводов" (слайд 42)
(слайд 42)
Почему все углеводы при расщеплении дают глюкозу?
5. Липиды - сборная группа органических соединений, не имеющих единой химической характеристики; не растворимы в воде, но хорошо растворимые в органических растворителях, содержатся во всех клетках животных и растений (от 5 до 90 % сухой массы).
Есть простые липиды (гликолипиды, жиры, воска, стерины) и сложные.
Жиры - сложные эфиры высших жирных кислот и трехатомного спирта глицерина. (слайд 43 - 50)
(Неполярный гидрофильный) R----- COOH (полярна гидрофильна)
Растительные клетки богаты не насыщенными жирными кислотами, а животные - насыщенными.
Заполните схему с помощью учебника: "Функции липидов" (слайд 49)
Закрепление изученного материала. (слайд 50)
Зарисуйте каплю жира, образующего каплю в воде.
Сделайте "Проверочный тест" (слайд 51)
6. Белки.
Вспомните, пожалуйста, высказывание Ф. Энгельса " Жизнь - это способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой: причем при прекращении обмена веществ прекращается и сама жизнь, что приводит к разложению белка:" (слайд 52) (слайды 52-61)
Какие основные моменты можно выделить в этом определении жизни?
Белки имеют еще одно название - протеины.
В переводе с греческого означает "протос" - первый, главный. Следовательно, белки главные вещества клетки. Давайте, докажем это.
Белки - это биополимеры, состоящие из мономеров - аминокислот, их всего -20. Посмотрите общую формулу аминокислот:
Пептиды образуются при связывании между собой аминокислот при помощи пептидной связи.
Строение белковой молекулы. (слайд 55-56)
- Первичная структура - связь пептидная между карбоксильной и аминогруппами, полипептидная цепочка. Открыта в 1888г. А.В. Данилевским.
- Вторичная структура - связь - водородная между кислородом и водором амино и карбоксильных групп разных аминокислот, полипептидная цепочка закручивается в спиралевидную структуру внутри молекулы.
- Третичная структура - связь дисульфидная, между серами радикалов, упаковка вторичной спирали в глобулярную структуру.
- Четвертичная структура - комплекс, который объединяет несколько третичных структур органической природы и неорганическое вещество.
Свойства белков.(слайды 57-58)
1. Денатурация - нарушение структуры белка.
I и II структуры - необратимая,
III и IV структуры - обратимая денатурация.
2. Ренатурация - восстановление естественной структуры белка. (шерсть - стираем, связь S-S восстанавливается)
3. Видовая специфичность - определяется набором аминокислот, их количеством, последовательностью расположения в цепи.
4. Белковая индивидуальность человека - отторжение донорских органов, аллергии. Лежит в основе иммунитета.
Закрепление изученного материала.
Заполните таблицу " Строение белковой молекулы" (слайд 60)
Почему из вареного яйца никогда не появится цыпленок? (слайд 59)
Почему аминокислоты имеют амфотерные свойства?
Какая часть аминокислоты определяет уникальные ее свойства?
6. Ферменты (энзимы)- это специфические белки, осуществляющие каталитическую функцию. (слайд 77 - 79) Наука энзимология. Академик И. П. Павлов назвал ферменты " возбудителями жизни и первым актом жизненной деятельности". Все ферменты имеют белковую природу, но не все белки имеют ферментативную природу. Почему?
Активный центр - происходит соединение фермента с субстратом. Форма активного центра и субстрата подходят друг к другу как ключ к замку.
Аллостерический центр - происходит связывание низкомолекулярных соединений, не сходных по строению с субстратом.
7. Нуклеиновые кислоты - РНК и ДНК
Нуклеиновые кислоты - природные высокомолекулярные органические соединения, обеспечивающие хранение и передачу наследственной информации.
"Нуклеус", в переводе от латинского означает " ядро". Впервые были обнаружены в ядре в 1869 году швейцарским химиком И. Ф. Мишером.. в живых организмах. Нуклеиновые кислоты представляют собой линейные гетерополимеры, состоящие из мономеров - повторяющихся строительных блоков, называемых нуклеотидами.
ДНК. (слайд 62 - 64)
Структура ДНК была смоделирована в 1953 году в США Д. Уотсоном и Ф. Криком. Она представляет собой двухцепочечную спираль, закрученную вокруг своей оси. Мономерами являются нуклеотиды.
Нуклеотид - это химическое соединение, состоящее их остатков трех веществ: азотистого основания, пятиатомного сахара - дезоксирибозы, и фосфорной кислоты. Соединены между собой через углевод одного нуклеотида и остаток фосфорной кислоты соседнего нуклеотида.
Азотистые основания: Пуриновые - аденин и гуанин; Пиримидиновые - цитозин и тимин.
Свойства ДНК: (слайд 65-66)
1. Комплементарность - избирательное соединение нуклеотидов, с образованием пары А = Т; Г = Ц. Если известна последовательность оснований в одной цепи, то, благодаря комплементарности, можно узнать последовательность оснований другой цепи.
Рассмотрим пример:
Дан фрагмент цепочки ДНК:
: А - Т - Г- Ц - А - А- Т- Ц- Г: Достройте вторую цепь.
2. Количественный нуклеотидный состав ДНК впервые проанализировал американец Э. Чаргафф. Количество аденина всегда равно количеству тимина, а количество гуанина всегда равно количеству цитозина. Такая закономерность называется правилом Чаргаффа.
Нуклеотиды расположены друг от друга на расстоянии 0,34 нм, и масса одного нуклеотида равна 345. Это постоянные величины!
Давайте сейчас решим задачу №5 на странице 27 учебника.
3. Молекула ДНК способна к самоудвоению - репликации .
При этом происходит копирование содержащейся в них информации. Спираль ДНК распадается и к к каждой нити притягиваются свободные нуклеотиды, синтезируя две новые цепи ДНК. В результате репликации две новые молекулы ДНК представляют точную копию исходной молекулы. Этот процесс лежит в основе передачи наследственной информации на клеточном и организменном уровнях.
Это тоже полимер, мономером которого являются нуклеотиды. (слайд 67 - 69)
Нуклеотид РНК: азотистые основания (аденин, гуанин, цитозин и урацил) -рибоза - остаток фосфорной кислоты. Соединены через связи между рибозой одного нуклеотида и остатком фосфорной кислоты другого нуклеотида.
Виды РНК: (слайд 54)
1. Одноцепочечная - переносят информацию о первичной структуре белка, от хромосом к месту синтеза белка:
1. Рибосомальная РНК (р РНК)- в комплексе с белами образует рибосомы, на которых происходит синтез белков.
2. Информационная (матричная) РНК(иРНК)- программирует синтез белков в клетке. Она осуществляет передачу кода ДНК к месту синтеза белка.
3. Транспортная РНК(тРНК )- доставляет аминокислоты к месту синтеза белков и определяет точную ориентацию аминокислоты на рибосоме. (слайд 69)
У тРНК есть четыре петли: акцепторная, для присоединения аминокислоты; антикодоновая, для узнавания кодона во время трансляции и две боковые петли.
2. Двухцепочечные РНК- хранители наследственной информации у ряда вирусов, выполняют функцию хромосом.
Закрепление изученного материала.
1. А теперь, пожалуйста, с помощью учебника и своих конспектов заполните таблицу "Нуклеиновые кислоты". (слайд 72 - 74)
2. Впишите в схему названия компонентов нуклеотидов ДНК и РНК. (слайд 70)
8. АТФ - нуклеотид, состоящий из азотистого основания - аденина + пентозы (рибоза) + три остатка фосфорной кислоты. (слайд 75)
Фосфатные группы в молекуле АТФ соединены между собой макроэргическими связями, при их разрыве выделяется большое количество энергии, образуется АДФ и высвобождается энергия.
АТФ - наиболее энергоемка. Отщепление концевого фосфата АТФ сопровождается выделением 40 кДж энергии. АТФ содержится в митохондриях, ядре, хлоропластах. С ее помощью осуществляется синтез веществ. АТФ - универсальный биологический аккумулятор энергии. (слайд 76)
Закрепление знаний.
Каковы причины использования медицинских препаратов, содержащих АТФ, при мышечной или сердечной дистрофии?
Домашнее задание.
1. Повторить материал о химическом составе клетки. Подготовиться к семинарскому занятию.
2. Для желающих:
а) составить кроссворд, ребус или тесты по любой из тем.
б) сделать модель ДНК, структур белка, АТФ или ферментно-субстратного комплекса.
в) составить презентацию на программе power point, по любой из тем.
3. (Для желающих). По учебнику Н.И. Сонина "Общая биология" перевести текст"Summari" на страницах 87, 103,
Использованная литература.
- Биология. 10 класс: поурочные планы по учеб. Д. К. Беляева, П.М.Бородина, часть I /автор-составитель А.Ю.Гаврилова - Волгоград.: Учитель,2006.
- Биология. Методическое пособие / А.П.Пуговкин,П.М.Скворцов -М.:Академия,08.
- Биология: Учебник для 10-11 классов: среднее(полное0общее образование(базовый уровень) /А. П. Пуговкин, Н.А. Пуговкина. - М.: Издательский центр "Академия",2007.
- Дидактические материалы по общей биологии / Петросова Р. А., Н.Н.Пилипнеко - М.: РАУБ- Цитадель,97.
- Задачи и упражнения по общей биологии Г.М. Муртазин. - М.:Просвещение,1981.
- Общая биология: Учебник для 10-11 кл. общеобразовательных учреждений / В.Б.Захаров,С.Г.Мамонтов,Н.И.Сонин.-М.:Дрофа,2006.
- Общая биология: Учебник для10-11 кл. общеобразовательных учреждений/Д.К. Беляев, П. М. Бородин, и др. Под ред.Д.К.Беляева,Г.М.Дымшица-М.:Просвещение,2005.
- Самостоятельные работы учащихся по общей биологии / Анастасова Л. П - М.: Просвещение,89.
Цитология. Изучением клетки занимается цитология (от греч. цитос – клетка и логос – наука). Изучается строение клеток, строение и функции клеточных органоидов, процессы жизнедеятельности, протекающие в клетке. Каждая клетка проявляет все свойства живого – обмен веществ, раздражимость, развитие и размножение, является элементарной (наименьшей) единицей строения. Изучение клетки логично начать с изучения химического состава клетки.
Химический состав клеток.
Все клетки, независимо от уровня организации, сходны по химическому составу. В живых организмах обнаружено 86 химических элементов периодической системы Д.И.Менделеева. Для 25 элементов известны функции, которые они выполняют в клетке. Эти элементы называются биогенными . По количественному содержанию в живом веществе элементы делятся на три категории:
Макроэлементы , элементы, концентрация которых превышает 0,001%. Они составляют основную массу живого вещества клетки (около 99%). Макроэлементы делят на элементы 1 и 2 группы. Элементы 1-ой группы – C, N, H, O (на их долю приходится 98% от всех элементов). Элементы 2-ой группы – K , Na , Ca , Mg , S , P , Cl , Fe (1,9%).
Микроэлементы (Zn, Mn, Cu, Co, Mo, и многие другие), доля которых составляет от 0,001% до 0,000001%. Микроэлементы входят в состав биологически активных веществ – ферментов, витаминов и гормонов.
Ультрамикроэлементы (Hg, Au, U, Ra и др.), концентрация которых не превышает 0,000001%. Роль большинства элементов этой группы до сих пор не выяснена.
Макро- и микроэлементы присутствуют в живой материи в виде разнообразных химических соединений, которые подразделяются на неорганические и органические вещества.
К неорганическим веществам относятся: вода и минеральные вещества. К органическим веществам относятся: белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты, АТФ и другие низкомолекулярные органические вещества. Процентное соотношение указано в таблице 1.
Неорганические вещества клетки . Вода .
Вода – самое распространенное в живых организмах неорганическое соединение. Ее содержание колеблется в широких пределах: в клетках эмали зубов вода составляет по массе около 10%, а в клетках развивающегося зародыша – более 90%.
Без воды жизнь невозможна. Она не только обязательный компонент живых клеток, но и среда обитания организмов. Биологическое значение воды основано на ее химических и физических свойствах. Химические и физические свойства воды необычны. Они объясняются, прежде всего, малыми размерами молекул воды, их полярностью и способностью соединяться друг с другом водородными связями.
В молекуле воды один атом кислорода ковалентно связан с двумя атомами водорода. Молекула полярна: кислородный атом несет частичный отрицательный заряд, а два водородных – частично положительные заряды. Это делает молекулу воды диполем. Поэтому при взаимодействии молекул воды друг с другом между ними устанавливаются водородные связи. Они слабее ковалентной, но, поскольку каждая молекула воды способна образовывать 4 водородные связи, они существенно влияют на физические свойства воды. Большая теплоемкость, теплота плавления и теплота парообразования объясняются тем, что большая часть поглощаемого водой тепла расходуется на разрыв водородных связей между ее молекулами. Вода обладает высокой теплопроводностью, благодаря чему в различных участках клетки поддерживается одинаковая температура. Вода практически не сжимается, прозрачна в видимом участке спектра. Наконец, вода – единственное вещество, плотность которого в жидком состоянии больше, чем в твердом.
Рис. . Вода. Значение воды. |
Вода – хороший растворитель ионных (полярных) соединений, а также некоторых не ионных, в молекуле которых присутствуют заряженные (полярные) группы. Если энергия притяжения молекул воды к молекулам какого-либо вещества больше, чем энергия притяжения между молекулами вещества, то молекулы гидратируются и вещество растворяется. По отношению к воде различают гидрофильные вещества – вещества, хорошо растворимые в воде и гидрофобные вещества – вещества, практически нерастворимые в воде. Есть органические молекулы, у которых один участок – гидрофилен, другой – гидрофобен. Такие молекулы называют амфипатическими , к ним относятся, например, фосфолипиды, образующие основу биологических мембран.
Вода является непосредственным участником многих химических реакций (гиролитическое расщепление белков, углеводов, жиров и др.), необходима как метаболит для реакций фотосинтеза.
Большинство биохимических реакций может идти только в водном растворе; многие вещества поступают в клетку и выводятся из нее в водном растворе. Благодаря большой теплоте испарения воды, происходит охлаждение организма.
Максимальная плотность воды при +4°С, при понижении температуры вода поднимается вверх, а так как плотность льда меньше плотности воды, то лед образуется на поверхности, поэтому при замерзании водоемов подо льдом остается жизненное пространство для водных организмов.
Благодаря силам когезии (электростатическому взаимодействию молекул воды, водородным связям) и адгезии (взаимодействию с окружающими ее стенками) вода обладает свойством подниматься по капиллярам – один из факторов, обеспечивающих движение воды в сосудах растений.
Несжимаемость воды определяет напряженное состояние клеточных стенок (тургор ), а также выполняет опорную функцию (гидростатический скелет, например, у круглых червей).
Итак, значение воды для организма заключается в следующем:
- Является средой обитания для многих организмов;
- Является основой внутренней и внутриклеточной среды;
- Обеспечивает транспорт веществ;
- Обеспечивает поддержание пространственной структуры растворенных в ней молекул (гидратирует полярные молекулы, окружает неполярные молекулы, способствуя их слипанию);
- Служит растворителем и средой для диффузии;
- Участвует в реакциях фотосинтеза и гидролиза;
- При испарении участвует в терморегуляции организма;
- Обеспечивает равномерное распределение тепла в организме;
- Максимальная плотность воды при +4°С, поэтому лед образуется на поверхности воды.
Минеральные вещества .
Минеральные вещества клетки в основном представлены солями, которые диссоциируют на анионы и катионы, некоторые используются в неионизированной форме (Fe, Mg, Cu, Co, Ni и др.)
Для процессов жизнедеятельности клетки наиболее важны катионы Na + , Ca 2+ , Mg 2+ , анионы HPO 4 2- , Cl - , HCO 3 - . Концентрации ионов в клетке и среде ее обитания, как правило, различны. В нервных и мышечных клетках концентрация К + внутри клетки в 30-40 раз больше, чем вне клетки; концентрация Na + вне клетки в 10-12 раз больше, нежели в клетке. Ионов Сl - вне клетки в 30-50 раз больше, чем внутри клетки. Существует ряд механизмов, позволяющих клетке поддерживать определенное соотношение ионов в протопласте и внешней среде.
Табл. 1. Важнейшие химические элементы
Химический элемент | Вещества, в которых химический элемент содержится | Процессы, в которых химический элемент участвует |
Углерод, водород, кислород, азот | Белки, нуклеиновые кислоты, липиды, углеводы и др. органические вещества | Синтез органических веществ и весь комплекс функций, осуществляемых этими органическими веществами |
Калий, натрий | Обеспечивают функции мембран, в частности, поддерживают электрический потенциал клеточной мембраны, работу Na + /Ka + -насоса, проведение нервных импульсов, анионный, катионный и осмотический балансы |
|
Фосфат кальция, карбонат кальция Пектат кальция | Участвует в процессе свертывания крови, сокращения мышц, входит в состав костной ткани, зубной эмали, раковин моллюсков Формирование срединной пластинки и клеточной стенки у растений |
|
Хлорофилл | Фотосинтез |
|
Формирование пространственной структуры белка за счет образования дисульфидных мостиков |
||
Нуклеиновые кислоты, АТФ | Синтез нуклеиновых кислот, фосфорилирование белков (их активирование) |
|
Поддерживает электрический потенциал клеточной мембраны, работу Na + /Ka + -насоса, проведение нервных импульсов, анионный, катионный и осмотический балансы Активизирует пищеварительные ферменты желудочного сока |
||
Гемоглобин Цитохромы | Транспорт кислорода Перенос электронов при фотосинтезе и дыхании |
|
Марганец | Декарбоксилазы, дегидрогеназы | Окисление жирных кислот, участие в процессах дыхания и фотосинтеза |
Гемоцианин Тирозиназа | Транспорт кислорода у некоторых беспозвоночных Образование меланина |
|
Витамин В 12 | Формирование эритроцитов |
|
Входит в состав более 100 ферментов: Алькогольдегидрогеназа, карбоангидраза | Анаэробное дыхание у растений Транспорт СО 2 у позвоночных |
|
Фторид кальция | Костная ткань, зубная эмаль |
|
Тироксин | Регуляция основного обмена |
|
Молибден | Нитрогеназа | Фиксация азота |
Различные ионы принимают участие во многих процессах жизнедеятельности клетки: катионы К + , Na + , Ca 2+ обеспечивают раздражимость живых организмов; катионы Mg 2+ , Mn 2+ , Zn 2+ , Ca 2+ и др. необходимы для нормального функционирования многих ферментов; образование углеводов в процессе фотосинтеза невозможно без Mg 2+ (составная часть хлорофилла).
От концентрации солей внутри клетки зависят ее буферные свойства . Буферностью называют способность клетки поддерживать слабощелочную реакцию своего содержимого на постоянном уровне (рН около 7,4). Внутри клетки буферность обеспечивается главным образом анионами H 2 PO 4 - и НРО 4 2- . Во внеклеточной жидкости и в крови роль буфера играют Н 2 СО 3 и НСО 3 - .
Фосфатная буферная система:
Низкий pH Высокий pH
НРО 4 2- + Н + H 2 PO 4 -
Гидрофосфат – ион Дигидрофосфат – ион
Бикарбонатная буферная система:
Низкий pH Высокий pH
НСО 3 - + Н + H 2 СO 3
Гидрокарбонат – ион Угольная кислота
Некоторые неорганические вещества содержатся в клетке не только в растворенном, но и в твердом состоянии. Например, Са и Р содержатся в костной ткани, в раковинах моллюсков в виде двойных углекислых и фосфорнокислых солей.
Ключевые термины и понятия
1. Общая биология. 2. Тропизмы, таксисы, рефлексы. 2. Биогенные элементы. 3. Макроэлементы. 4. Элементы 1 и 2 групп. 5. Микро- и ультрамикроэлементы. 6. Гидрофильные и гидрофобные вещества. 7. Амфипатические вещества. 8. Гидролиз. 9. Гидратация. 10. Буферность.
Основные вопросы для повторения
- Строение молекулы воды и ее свойства.
- Значение воды.
- Процентное соотношение органических веществ в клетке.
- Важнейшие катионы клетки и их концентрация в нервных и мышечных клетках.
- Реакция фосфатной буферной системы при понижении рН.
- Реакция карбонатной буферной системы при повышении рН.