Интегрированный урок (химия + биология) "Особенности химического состава клетки. Неорганические вещества"

Цели урока: Изучить особенности химического состава клетки; неорганические вещества, входящие в состав клетки, а также рассмотреть биологическую роль, использование в медицине, содержание макроэлементов и микроэлементов в клетке, в пищевых продуктах. Научить подготовке сообщения и выступлению с ним перед классом, уметь провести химический эксперимент. Научить сравнивать, анализировать, делать выводы, устанавливать причинно-следственные связи.

Оборудование и реактивы: Схема " Химические элементы", картинки с изображением животных и растений, знаки химических элементов, зубная паста, глазная мазь, витамин В12, яблоки, хлеб ржаной и пшеничный, раковины моллюсков, рыбные кости, пробирки, спиртовка, лучинка, пинцет, реактивы: соляная кислота – НСl.

Ход урока

1. Введение. Изучение нового материала.

Учитель химии:

Сегодня мы проводим интегрированный урок химии и биологии. Послушайте строфу из стихотворения С. Щипачева "Читая Менделеева":

Другого ничего в природе нет
Ни здесь, ни там, в космических глубинах:
Все – от песчинок малых до планет –
Из элементов состоит единых.

Учитель биологии:

На уроках мы неоднократно убеждались: все, что нас окружает, – это мир химических соединений.

В любом живом организме, в том числе и в организме человека, непрерывно протекает множество химических реакций. Можно сказать, что каждая живая клетка представляет собой микроскопическую химическую лабораторию. Поступление химических веществ осуществляется в результате важного свойства клетки – это обмен веществ и энергии. Давайте, ребята, вспомним:

• Что называется обменом веществ?
• Какого значение обмена веществ?
• Назовите основные направления обмена веществ.
• Что такое ассимиляция?
• Что называется диссимиляцией?

Для каждого вида организмов характерен особый, генетически закрепленный тип обмена веществ. Любое заболевание сопровождается нарушениями обмена, а генетически обусловленные нарушения обмена являются причиной многих наследственных болезней. В человеческом организме непрерывно образуется невообразимое множество различных химических соединений. Необходимые для этого исходные вещества поступают в организм с пищей, вдыхаемым воздухом и питьевой водой. Часть из синтезированных соединений используется в качестве строительного материала или источника энергопитания и обеспечивает организму рост, развитие и жизнедеятельность; другая же часть, которую можно рассматривать как шлаки или отходы, выводится из организма.

В обмене веществ участвуют и неорганические и органические вещества.

Сегодня мы остановимся на изучении неорганических веществ в клетках живых организмов.

Учитель химии:

В клетках животных и растительных организмов обнаружено более 80 химических элементов из 110 элементов периодической системы Д. И. Менделеева, одних элементов в клетках относительно много, других – исключительно мало.

Для изучения количественного состава химических элементов, содержащихся в клетках живых организмов.

Проведем самостоятельную работу с учебником, откройте учебник (Рувинский "Общая биология") на странице 15, § 2 .

Задания

Выпишите химические элементы, которые в сумме составляют 98% всего содержимого клетки.

Выпишите химические элементы, содержание которых в клетке исчисляется десятыми и сотыми долями %.

Проводится проверка заданий.

Мы поработали по выявлению двух групп это макроэлементы – доля которых составляет 98% и микроэлементы доля которых составляет 1,9%, но существует также и 3-я группа ультромикроэлементы – концентрация которых не превышает 10 5 % . К ним относятся уран, радий, золото, Hg, Be, Cs, Se и др. редкие элементы.

Схема 1

Химические элементы
Макроэлементы	микроэлементы	ультрамикроэлементы

Обнаружено, что некоторые организмы являются интенсивными накопителями определенных элементов. Так, например, ряд морских водорослей накапливает йод (I), лютики – накапливают литий (Li), ряска – радий (Ra), злаки – кремний (Si), моллюски и ракообразные – медь (Си),позвоночные – железо (Fe), некоторые бактерии – марганец (Мn) и т. д.

Вопрос:

Назовите в организмах, каких животных и растений накапливаются химические элементы?

(На доске висят картинки с изображением животных и растений)

Учитель биологии:

Многие химические элементы, входящие в состав клетки выполняют определенную функцию.

Химические элементы, которые входят в состав клеток и выполняют биологические функции называют биогенными.

Биогенными элементами считаются около 30 элементов. Среди биогенных элементов особое место занимают так называемые элементы – органогены, которые образуют важнейшие вещества организма – воду, белки, жиры, углеводы, витамины, гормоны и др.

К органогенам относятся 6 элементов: С, О, Н, N, P, S.

К числу биогенных элементов относится и ряд металлов, среди которых особенно важные биологические функции выполняют 10 так называемых "металлов жизни". Этими металлами являются 4s элемента Са, К, Na, Mg и 6d элементов – Fe, Zn, Си, Mn, Mo, Co.[1]

Учитель химии:

Нормальная жизнедеятельность организмов зависит от концентрации химических элементов в клетке. Недостаток и избыток химических элементов может вызвать развитие различных заболеваний.

Ребята, давайте проанализируем содержание макроэлементов в животных организмах и их влияние на развитие организма. (См. таблицу 1) Приложение 1

Вопросы:

• Какие заболевания вызываются недостатком химических элементов в растительных и животных организмах?
• В каких пищевых продуктах содержатся макроэлементы?
• Какова же биологическая роль микроэлементов?

Выступления учащихся:

1-й учащийся: Фтор.

В небольших количествах фтор входит в состав живых организмов. В организме человека около 2,6 г фтора, из них 2,5 г – в костях. Биологическая роль фтора заключается в том, что он участвует в процессах образования зубов и костей, в обмене веществ и в активации некоторых ферментов. Нормальное поступление фтора в организм человека 2,5-3,5 мг в сутки. Пониженные и повышенные количества фтора вызывают различные заболевания. Хроническое отравление соединениями фтора вызывает болезнь флюороз.[1]

Исследования доказали,
Что фтор как микроэлемент
Так важен для зубной эмали,
Как для строительства цемент.
Известно: при нехватке фтора
Зубная боль возникнет скоро.
Избыток фтора тоже плох:
Остаться можно без зубов.

(Учащийся показывает зубную пасту)

2-й учащийся: Кобальт.

Кобальт – микроэлемент, оказывающий разнообразное влияние на жизненные процессы растительных, животных организмов и человека.

В организме человека содержится 0,03 г кобальта, из них 14% сосредоточено в костях, по 43% – в мышцах и мягких тканях. Больше всего кобальта в печени, почках, поджелудочной железе.

Биологическая роль кобальта велика – он участвует в процессах кроветворения, влияет на белковый, жировой, углеводный, минеральный обмены, обмен витаминов, например витамина С, ускоряет синтез витамина РР, входит в состав ферментов (пептидазы).

Кобальт является составной частью витамина В12 (цианкобаламин).

(Учащийся показывает витамины В12)

3-й учащийся: Медь.

Медь – один из важнейших микроэлементов, участвующих в процессе фотосинтеза и влияющих на усвоение азота растениями.

В организме человека содержится около 0,1 г меди. Суточная потребность взрослого человека в меди 2-3 мг. Медь концентрируется в печени, крови, головном мозге, меньше ее – в костях.

Дефицит меди и ее избыток одинаково вредны для организма. При недостатке меди в рационе человека уменьшается образование гемоглобина и развивается анемия; нарушается костеобразование с изменениями в скелете, как при заболевании рахитом.

Избыток меди накапливается в печени, мозге, почках, глазах и вызывает хронические воспалительные процессы в тканях.

(Учащийся показывает глазную мазь)

Учитель биологии:

Микроэлементы в питании человека.

Геохимическая среда через растения и животных оказывает существенное воздействие на человека. Она осуществляется, прежде всего, через качество пищи, играющей важную роль в укреплении здоровья человека и продолжительности его жизни. Значит, о качестве пищи должен заботиться сам человек.

Исследования показали, что здоровью человека в Нижнем Поволжье существенный урон наносит микроэлементная неполноценность продуктов питания, вызванная недостаточным содержанием йода, марганца, цинка, кобальта и других элементов в почвах, водах и растениях. Прежде всего, это касается Прикаспийской низменности на территории Черных Земель, где остро стоит вопрос о недостатке йода, вызывающем увеличение щитовидной железы у человека, особенно у детей. Одним из факторов усиливающихся проявлений зобной эндемии является недостаток кобальта.

На территории РК широкое распространение получила анемия. Усугубляет это заболевание недостаток меди и кобальта. Одним из основных эндемических заболеваний является образование камней в почках, в желчном пузыре, отложение солей в суставах – это связано с избытком кальция, молибдена, оксалатов и тяжелых металлов в воде и пище.

Основным источником микроэлементов являются овощи и фрукты. Наибольшие количества марганца и меди в условиях РК обнаружены в зелени укропа, петрушки, свеклы. Хорошо обеспечены марганцем фрукты: клубника, красная смородина. В ржаном хлебе меди в 2, марганца 1,5 и молибдена в 4 раза больше, чем в пшеничном. Микроэлементы могут быть успешно применены при профилактике и лечении некоторых заболеваний. В условиях Калмыкии положительный эффект получен от назначения биологических доз микроэлементов при лечении анемии и лейкоза, что связано с важной ролью некоторых микроэлементов в процессах кроветворения. Медь участвует в синтезе гемоглобина и удлиняет срок жизни эритроцитов, марганец повышает концентрацию меди в крови и ускоряет созревание красных кровяных телец. Цинк и медь оказываются эффективными при сахарном диабете.

Под их влиянием усиливается действие инсулина и уменьшается концентрация адреналина.

Все живое требует строго определенных биотических концентраций микроэлементов. Человек занимает в мире живого особое место, поэтому введение микроэлементов в диету человека требует особой осторожности. Медицине известны также случаи отрицательного воздействия на организм избытка микроэлементов. В частности, у жителей Черных Земель (Черноземельский, Лаганский, Яшкульский районы) выявлены различные изменения в состоянии здоровья из-за использования в питьевых целях вод, обогащенных мышьяком и вод с высокой концентрацией йода (п. Артезиан, п. Кумской) и брома, при этом развивается эндемический зоб, анемия, желудочно-кишечная болезнь. Из-за высокой минерализации питьевых вод повсеместно развиваются желчнокаменные и почечнокаменные болезни. Несомненно, отрицательное воздействие на организм избытка бора, молибдена, бария, недостаток фтора и других микроэлементов, поэтому так важен постоянный контроль за их содержанием во внешней среде.[2]

Учитель химии:

Многие элементы в клетке содержатся в виде ионов. Сегодня стоит перед нами проблемный вопрос: Какова роль солей в проявлении буферных свойств клетки?

Буферные свойства проявляются в способности клетки сохранять реакцию ее содержимого на постоянном уровне. Буферностъю называют способность клетки сохранять определенною концентрацию водородных ионов (рН). В клетке поддерживается слабощелочная, почти нейтральная (рН = 7,2).

Многие химические соединения находятся в клетке в виде катионов и анионов, их концентрация в клетке и в окружающей среде резко различается.

Внутри клетки высокая концентрация ионов калия и очень низкая ионов натрия. В среде, окружающей клетку, – в плазме крови, в морской воде -мало ионов К⁺ и высокая концентрация ионов Na⁺.

Кровь наша чуть соленая на вкус –
Содержится в ней натрия хлорид;
В межклеточном пространстве натрий-плюс
Давленье Осмоса для клеток cохранит.
Хлорид же ионы царствуют в желудке,
Чтобы запас соляной кислоты
Нам обеспечить, – это же не шутки –
Белковой пищи расщеплять хвосты.

Внутри клетки буферность обеспечивается главным образом анионами Н₂РО₄ ^– . Во внеклеточной жидкости и в крови роль буфера играют СО₃ ^2– и НСО₃ ^–

Учитель биологии:

Имеющиеся в организме нерастворимые минеральные соли, например: фосфат кальция, карбонат кальция входят в состав межклеточного вещества, костной ткани, в раковины моллюсков обеспечивая прочность этих образований.

Это можно доказать экспериментально во время проведения лабораторной работы.

Лабораторная работа №1
Влияние кальция на прочность костной ткани.

В костной ткани содержится около 8 % кальция.

Порядок работы:

Попробуйте согнуть, а затем растянуть натуральную кость животного. Согнулась ли она? Смогли ли вы ее растянуть?

Что происходит при попытке согнуть прокаленную кость? Каким свойством она обладает?

Можно ли растянуть кость, находившуюся в соляной кислоте? Какими свойствами обладает эта кость? Чем различаются декальцинированная и прокаленная кости?

Лабораторная работа №2
Определение качественного состава карбонатной породы.

Неорганические вещества содержатся не только в растворенном, но и в твердом состоянии. Раковины моллюсков состоят из СаСОз, что обеспечивает прочность раковин.

СаСО₃ +2 НС1= СаС1₂ + Н₂СО₃

Горящая лучина, где скапливается газ, гаснет. Значит это СО₂ газ не поддерживает горения. В исследуемой карбонатной породе устанавливается наличие карбонат-иона СО₃ ^2-.

Наличие катиона кальция Са²⁺ подтверждается – окрашиванием пламени в кирпично-красный цвет.

2. 3акрепление материала.

Работа по карточкам.
Решение задач.

Задача №1

Суточная потребность организма в кальции в виде карбоната кальция СаСОз составляет 1,2 г. вычислите количество необходимого карбоната кальция.

Задача №2

Ортофосфат кальция составляет минеральную основу костей и зубов. Другие соединения кальция участвуют в нервной и мышечной деятельности, входят в состав тканевой жидкости, ядер и стенок клеточной ткани живого организма. Кальций уменьшает аллергические реакции. Суточная потребность организма в кальции составляет от 0,8 до 2 г. источниками кальция служат молоко, кефир, творог, сыр, рыба, фасоль, петрушка, зеленый лук, а также яйца, гречка и овсянка, морковь и горох.

Обеспечит ли суточную потребность организма в кальции добавление в пищу 1 г карбоната кальция при условии его полного усвоения?

Задача №3

В человеческом организме в общей сложности содержится примерно 25 мг иода (в составе различных соединений), причем половина всей массы иода находится в щитовидной железе. Подсчитайте, сколько атомов иода находится: а) в щитовидной железе; б) в человеческом организме в целом.

3. Итоги урока.

Учитель биологии:

Итак, неорганические вещества входят в состав клетки, которые поступают в организм с пищей, вдыхаемым воздухом и питьевой водой. Биологическая роль этих элементов-органогенов и "металлов жизни" велика и они широко используются в медицине.

4. Домашнее задание §2 учить (Рувинский А.С.), стр. 15-16

Список дополнительной литературы:

1. Егоров А.С., Иванченко Н.М., Шацкая К.П. Химия внутри нас: Введение в бионеорганическую и биоорганическую химию. – Ростов н/Д: Феникс, 2004. – 192 с.
2. Сангаджиева Л.Х. Микроэлементы в ландшафтах Калмыкии и биогеохимическое районирование ее территории. – Элиста: АПП Джангр, 2004. – 119 с.