Химические элементы и неорганические вещества клетки функции. Органические и неорганические вещества. Неорганические вещества клетки. Органические компоненты клетки

Неорганические вещества, входящие в состав клетки

Цель урока: изучить химический состав клетки, выявить роль неорганических веществ.

Задачи урока:

образовательная: показать многообразие химических элементов и соединений, входящих в состав живых организмов, значение их в процессе жизнедеятельности;

развивающая: продолжить формирование умений и навыков самостоятельной работы с учебником, умение выделять главное, формулировать выводы;

воспитательная: воспитывать ответственное отношение к выполнению полученных заданий.

Оборудование: мультимедийный проектор, презентация, раздаточный материал.

План урока

I. Организационный момент.

Приветствие; – подготовка аудитории к работе; – наличие учащихся.

II. Мотивация учебной деятельности.

– Перед вами набор слов: медь, белки, железо, углеводы, жиры, витамины, магний, золото, сера, кальций, фосфор.

– На какие две группы по своему значению можно поделить эти слова? Ответ поясните. (Органические и неорганические; химические вещества и химические элементы).

– Кто из вас может назвать роль тех или иных веществ, элементов в жизнедеятельности живых организмов?

– Поставьте перед собой цель и задачи нашего урока, исходя из названия темы.

III. Изложение нового материала.

Презентация. Презентация включает сразу 3 урока по данной теме. Начинаем работу с ключевого второго слайда: по гиперссылке переходим на нужный урок.

3-й слайд: беседа по схеме “Содержание химических элементов в теле человека”.:

– В состав клетки входит около 80 различных химических элементов, которые встречаются в объектах неживой природы. О чём это может говорить? (об общности живой и неживой природы). 27 элементов выполняют определенные функции, остальные попадают в организм с пищей, водой воздухом.

– Назовите, какие химические элементы и в каком количестве содержатся в теле человека?

– Все химические соединения, которые содержатся в живых организмах, делятся на группы.

– Пользуясь таблицей, составьте схему “Основные группы химических элементов в природе” (см. таблицу “Элементы, входящие в состав клеток живых организмов”, см таблица 1 ). Кислород, водород, углерод, азот, сера и фосфор являются необходимыми компонентами молекул биологических полимеров (белки, нуклеиновые кислоты), их часто называют биоэлементами.

Схема

Слайд 5: Начни заполнять таблицу – опорный конспект в тетради (данная таблица будет дополняться на последующих уроках, см таблицу 2 ).

– Из всех химических соединений, содержащихся в живых организмах, вода составляет 75 – 85 % от массы тела.

– В связи с чем необходимо такое количество воды? Какие функции выполняет вода в живом организме?

– Вы уже знаете, что строение и функции взаимосвязаны. Рассмотрим более подробно строение молекулы воды, чтобы выяснить, почему вода обладает такими свойствами. По ходу объяснения вы заполняете опорный конспект в тетради (см. слайд 5).

Слайды 6 – 7 демонстрируют особенности строения молекулы воды, её свойства.

– Из числа неорганических соединений, входящих в состав организмов, наибольшее значение имеют соли минеральных кислот и соответствующие катионы и анионы. Хотя потребность человека и животных в минеральных веществах выражается десятками и даже тысячными долями грамма, однако отсутствие в пище какого – либо из биологически важных элементов ведёт к тяжёлым заболеваниям.

– Заполните таблицу, графу “Минеральные соли”, используя материал учебника с.104 – 107. (Слайд 8, по гиперссылке перейдём на проверку выполненной работы).

– Приведите примеры, доказывающие роль минеральных солей в жизнедеятельности живых организмов.

IV. Закрепление нового материала:

несколько учащихся (сколько компьютеров в классе) выполняют интерактивный тест 1 “Неорганические вещества клетки”;

остальные выполняют задания на тренировку мышления и умения делать выводы (раздаточный материал):

Между первыми двумя терминами существует определённая связь. Между четвёртым и одним из приведённых ниже понятий существует такая же связь. Найдите его:

1. Йод: щитовидная железа = фтор: ___________________

а) Поджелудочная железа б) эмаль зубов в) нуклеиновая кислота г) надпочечники

2. Железо: гемоглобин = __________: хлорофилл:

а) кобальт б) медь в) йод г) магний

3. Выполняют цифровой диктант “Молекулы”. 1. Водородные связи – самые слабые связи в молекуле (1). 2. Структура и состав – это одно и то же (0). 3. Состав всегда определяет структуру (0). 4. Состав и структура молекулы определяют её свойства (1). 5. Полярностью молекул воды объясняется её свойство медленно нагреваться и остывать (0). 6. Атом кислорода в молекуле воды несёт положительный заряд. (0)

V. Итог урока.

– Выполнили ли вы поставленные перед собой цель и задачи урока? Что нового для себя вы открыли на этом уроке?

Литература:

Биология. 9 класс: поурочные планы по учебнику С.Г.Мамонтова, В.Б.Захарова, Н.И.Сонина / авт. – сост. М.М.Гуменюк. Волгоград: Учитель, 2006.

Лернер Г.И. Общая биология. Поурочные тесты и задания. 10 – 11 класс./ – М.: Аквариум, 1998.

Мамонтов С.Г., Захаров В.Б., Сонин Н.И. Биология. Общие закономерности. 9 кл.: Учеб. для общеобразоват. учеб. заведений. – М.: Дрофа, 2000.

CD Комплект цифровых образовательных ресурсов к учебнику Теремов А.В., Петросова Р.А., Никишов А.И. Биология. Общие закономерности жизни: 9 кл. гуманит изд. центр ВЛАДОС, 2003. ООО “Физикон”, 2007.

В состав клетки входит около 70 элементов Периодической системы элементов Менделеева, а 24 из них присутствуют во всех типах клеток. Все присутствующие в клетке элементы делятся, в зависимости от их содержания в клетке, на группы :

• макроэлементы – H, O, N, C,. Mg, Na, Ca, Fe, K, P, Cl, S;
• микроэлементы – В, Ni, Cu, Co, Zn, Mb и др.;
• ультрамикроэлементы – U, Ra, Au, Pb, Hg, Se и др.

• органогены (кислород, водород, углерод, азот),
• макроэлементы,
• микроэлементы.

В состав клетки входят молекулы неорганических и органических соединений.

Неорганические соединения клетки – вода и неорганические ионы.
Вода – важнейшее неорганическое вещество клетки. Все биохимические реакции происходят в водных растворах. Молекула воды имеет нелинейную пространственную структуру и обладает полярностью. Между отдельными молекулами воды образуются водородные связи, определяющие физические и химические свойства воды.

Неорганические ионы :
катионы K+, Na+, Ca2+ , Mg2+ и анионы Cl–, NO3- , PO4 2-, CO32-, НPO42-.

Разность между количеством катионов и анионов (Nа+ , К+ , Сl-) на поверхности и внутри клетки обеспечивает возникновение потенциала действия, что лежит в основе нервного и мышечного возбуждения .
Анионы фосфорной кислоты создают фосфатную буферную систему , поддерживающую рН внутриклеточной среды организма на уровне 6-9.
Угольная кислота и ее анионы создают бикарбонатную буферную систему и поддерживают рН внеклеточной среды (плазмы крови) на уровне 7-4.
Соединения азота служат источником минерального питания, синтеза белков, нуклеиновых кислот.
Атомы фосфора входят в состав нуклеиновых кислот, фосфолипидов, а также костей позвоночных, хитинового покрова членистоногих.
Ионы кальция входят в состав вещества костей; они также необходимы для осуществления мышечного сокращения, свертывания крови.

Таблица. Роль макроэлементов на клеточном и организменном уровне организации.

Таблица.

Тематические задания

Часть А

А1. Полярностью воды обусловлена ее способность
1) проводить тепло
3) растворять хлорид натрия
2) поглощать тепло
4) растворять глицерин

А2 . Больным рахитом детям необходимо давать препараты, содержащие
1) железо
2) калий
3) кальций
4) цинк

А3 . Проведение нервного импульса обеспечивается ионами:
1) калия и натрия
2) фосфора и азота
3) железа и меди
4) кислорода и хлора

А4 . Слабые связи между молекулами воды в ее жидкой фазе называются:
1) ковалентными
2) гидрофобными
3) водородными
4) гидрофильными

А5 . В состав гемоглобина входит
1) фосфор
2) железо
3) сера
4) магний

А6 . Выберите группу химических элементов, обязательно входящую в состав белков
1) Na, K, O, S
2) N, P, C, Cl
3) C, S, Fe, O
4) C, H, O, N

А7 . Пациентам с гипофункцией щитовидной железы дают препараты, содержащие
1) йод
2) железо
3) фосфор
4) натрий

Часть В

В1 . Выберите функции воды в клетке
1) энергетическая
2) ферментативная
3) транспортная
4) строительная
5) смазывающая
6) терморегуляционная

В2 . Выберите только физические свойства воды
1) способность к диссоциации
2) гидролиз солей
3) плотность
4) теплопроводность
5) электропроводность
6) донорство электронов

Часть С

С1 . Какие физические свойства воды определяют ее биологическое значение?

Клетка

С точки зрения концепции живых систем по А. Ленинджеру.

Живая клетка – это способная к саморегуляции и самовоспроизведению изотермическая система органических молекул, извлекающая энергию и ресурсы из окружающей среды.

В клетке протекает большое количество последовательных реакций, скорость которых регулируется самой клеткой.

Клетка поддерживает себя в стационарном динамическом состоянии, далеком от равновесия с окружающей средой.

Клетки функционируют по принципу минимального расхода компонентов и процессов.

Т.о. клетка – элементарная живая открытая система, способная к самостоятельному существованию, воспроизведению и развитию. Она является элементарной структурно-функциональной единицей всех живых организмов.

Химический состав клеток.

Из 110 элементов периодической системы Менделеева в организме человека обнаружено 86 постоянно присутствующих. 25 из них необходимы для нормальной жизнедеятельности, причем 18 из них необходимы абсолютно, а 7 - полезны. В соответствии с процентным содержанием в клетке химические элементы делят на три группы:

Макроэлементы Основные элементы (органогены) – водород, углерод, кислород, азот. Их концентрация: 98 – 99,9 %. Они являются универсальными компонентами органических соединений клетки.

Микроэлементы – натрий, магний, фосфор, сера, хлор, калий, кальций, железо. Их концентрация 0,1%.

Ультрамикроэлементы – бор, кремний, ванадий, марганец, кобальт, медь, цинк, молибден, селен, йод, бром, фтор. Они влияют на обмен веществ. Их отсутствие является причиной заболеваний (цинк - сахарный диабет, иод - эндемический зоб, железо - злокачественная анемия и т.д.).

Современной медицине известны факты отрицательного взаимодействия витаминов и минералов:

Цинк снижает усвоение меди и конкурирует за усвоение с железом и кальцием; (а дефицит цинка вызывает ослабление иммунной системы, ряд патологических состояний со стороны желез внутренней секреции).

Кальций и железо снижают усвоение марганца;

Витамин Е плохо совмещается с железом, а витамин С – с витаминами группы В.

Положительное взаимовлияние:

Витамин Е и селен, а также кальций и витамин К действуют синергично;

Для усвоения кальция необходим витамин Д;

Медь способствует усвоению и повышает эффективность использования железа в организме.

Неорганические компоненты клетки.

Вода – важнейшая составная часть клетки, универсальная дисперсионная среда живой материи. Активные клетки наземных организмов состоят на 60 – 95% из воды. В покоящихся клетках и тканях (семена, споры) воды 10 - 20%. Вода в клетке находится в двух формах – свободной и связанной с клеточными коллоидами. Свободная вода является растворителем и дисперсионной средой коллоидной системы протоплазмы. Ее 95%. Связанная вода (4 – 5 %) всей воды клетки образует непрочные водородные и гидроксильные связи с белками.

Свойства воды:

Вода – естественный растворитель для минеральных ионов и других веществ.

Вода – дисперсионная фаза коллоидной системы протоплазмы.

Вода является средой для реакций метаболизма клетки, т.к. физиологические процессы происходят в исключительно водной среде. Обеспечивает реакции гидролиза, гидратации, набухания.

Участвует во многих ферментативных реакциях клетки и образуется в процессе обмена веществ.

Вода – источник ионов водорода при фотосинтезе у растений.

Биологическое значение воды:

Большинство биохимических реакций идет только в водном растворе, многие вещества поступают и выводятся из клеток в растворенном виде. Это характеризует транспортную функцию воды.

Вода обеспечивает реакции гидролиза – расщепление белков, жиров, углеводов под действием воды.

Благодаря большой теплоте испарения происходит охлаждение организма. Например, потоотделение у человека или транспирация у растений.

Большая теплоемкость и теплопроводность воды способствует равномерному распределению тепла в клетке.

Благодаря силам адгезии (вода – почва) и когезии (вода – вода) вода обладает свойством капиллярности.

Несжимаемость воды определяет напряженное состояние клеточных стенок (тургор), гидростатический скелет у круглых червей.

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.

Как мы уже знаем, клетка состоит из химических веществ органического и неорганического типа. Основными неорганическими веществами, входящими в состав клетки, являются соли и вода.

Вода как компонент живого

Вода – это доминирующий компонент всех организмов. Важные биологические функции воды осуществляются за счет уникальных свойств ее молекул, в частности наличии диполей, которые делают возможным возникновение водородных связей между клетками.

Благодаря молекулам воды в организме живых существ происходят процессы термостабилизации и терморегуляции. Процесс терморегуляции происходит за счет высокой теплоемкости молекул воды: внешние перепады температуры не влияют на температурные изменения внутри организма.

Благодаря воде органы человеческого организма сохраняют свою эластичность. Вода является одной из основных составляющих смазывающих жидкостей, необходимых для суставов позвоночных или околосердечной сумки.

Она входит в слизь, облегчающую передвижение веществ по кишечнику. Вода – составляющая желчи, слез и слюны.

Соли и другие неорганические вещества

Клетки живого организма помимо воды содержат такие неорганические вещества как кислоты, основания и соли. Наиболее важное значение в жизнедеятельности организма имеют Mg2+, H2PO4, K, CA2, Na, C1-. Слабые кислоты гарантируют стабильную внутреннюю среду клетки (слабощелочную).

Концентрация ионов в межклеточном веществе и внутри клетки может быть различной. Так к примеру ионы Na+ сконцентрированы только в межклеточной жидкости, в то время как К+ содержится исключительно в клетке.

Резкое сокращение либо повышения количества определенных ионов в составе клетке не только к ее дисфункции, но и к гибели. К примеру, снижение количества Са+ в клетке вызывает судороги внутри клетки и дальнейший ее отмирание.

Некоторые неорганические вещества часто вступают во взаимодействие с жирами, белками и углеводами. Так ярким примером являются органические соединения с фосфором и серой.

Сера, которая входит в состав молекул белка, отвечает за образование молекулярных связей организма. Благодаря синтезу фосфора и органических веществ происходит освобождение энергии с белковых молекул.

Соли кальция

Нормальному развитию костной ткани, а также функционированию головного и спинного мозга способствуют соли кальция. Обмен кальция в организме осуществляется за счет витамина D. Избыток или недостаток солей кальция влечет за собой дисфункцию организма.