Химический состав клетки. Минеральные вещества и их роль в клетке

Разделы: Биология

Цели:

Обучающие:

  • Систематизация знаний о химическом составе клетки.
  • Закрепление знаний об химических элементах и их роли в клетках живых организмов, химической общности живой и неживой природы.
  • Осознание роли химических веществ для нормального функционирования организма человека.

Воспитательные:

  • формирование мировоззрения, активной жизненной позиции, опыта правильного поведения и общения, превращение этих ценных свойств в устойчивые нравственные качества личности, формирование готовности к самовоспитанию и психического развития; воспитать предметную компетентность учащихся. Привить гигиенические навыки здорового образа жизни.

Развивающие:

  • развитие интеллекта, внимания, восприятия, памяти, мышления, воображения, речи, эмоционально-волевой сферы школьников; выделение важнейших, доминирующих задач урока, их конкретизация с учетом особенностей и возможностей коллектива.

Оборудование: схема «Химические элементы», картинки с изображением растений и животных, знаки химических элементов, мука, штатив, стеклянная палочка, фарфоровая чашка.

Задачи:

  1. Рассказать о единстве химического состава живых организмов и неживой природы.
  2. Раскрыть роль минеральных веществ в жизни клетки живого организма.

План урока:

  1. Проверка знаний по теме «Методы цитологии», «Клеточная теория» (рассказ, тесты).
  2. Новая тема:
    1. Химический состав клетки.
    2. Классификация минеральных веществ (по содержанию в клетке).
    3. Роль макро и микроэлементов в жизни клетки.
    4. Роль химических элементов в организме человека.
  3. Закрепление.
  4. Домашнее задание.

Ход урока

I. Проверка знаний:

1. Методы и задачи цитологии.

2. Увеличительные приборы. Устройство светового микроскопа. Как узнать общее увеличение светового микроскопа?

3. История становления цитологии. Вклад отдельных ученых в развитие клеточной теории.

4. Карточки с тестами:

  1. Деление клетки открыл и установил, что каждая клетка происходит от исходной путем деления:
    а) Левенгук
    б) Р. Гук
    в) Р. Броун
    г) Р. Вихров

  2. Клеточное строение организмов всех царств свидетельствует о:
    а) единстве органического мира
    б) сходстве живой и неживой природы
    в) происхождении живого от неживого
    г) сходстве строения бактерий, вирусов, грибов.

  3. Создателями клеточной теории являются:
    а) Дарвин и Уоллес
    б) Мендель и Морган
    в) Гук и Левенгук
    г) Шлейден и Шванн

  4. Клеточной теории соответствует следующее положение:
    А) размножение клеток происходит путем их деления
    Б) хромосомы – материальные носители наследственности
    В) все живые существа, кроме бактерий, имеют клеточное строение.
    Г) клетки всех живых существ и вирусы сходны по строению и функциям

  5. В чем проявляется общность между выводами клеточной и атомно-молекулярной теорий?
    А) в установлении единицы строения объекта
    б) в сходстве строения объектов исследования
    в) в сходстве свойств объектов исследования

II. Новая тема: А сейчас мы с вами посмотрим демонстрационный опыт.

Демонстрационный опыт «Сжигание муки в фарфоровой чашке»

Какие вещества образуются при сгорании муки? Какие признаки реакции вы наблюдали?

Признаки реакции:

  • капельки воды (пары воды конденсируются на холодной стеклянной пластинке);
  • дым (сгорают органические вещества);
  • зола (неорганические вещества). (Слайд)

Итак, в состав живых организмов входят органические и неорганические вещества, а также вода. Сегодня на уроке мы остановимся на изучении неорганических веществ в клетках живых организмов, узнаем какую роль выполняют те или иные химические элементы в процессах жизнедеятельности живых организмов.

Послушайте, ребята, строки 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.

Ребята, на уроках биологии и химии мы не раз убеждались в том, что нас окружает 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 – обмена веществ и энергии.

Ребята, давайте вспомним и ответим на следующие вопросы:

  • Что называется обменом веществ?
  • Каково 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.

Многим химикам известны крылатые слова, сказанные в 40-х годах текущего столетия немецкими учеными Вальтером и Идой Ноддак, что в каждом булыжнике на мостовой присутствуют все элементы Периодической системы. Вначале эти слова были встречены далеко не с единодушным одобрением. Однако, по мере того как разрабатывались все более точные методы аналитического определения химических элементов, ученые все больше убеждались в справедливости этих слов.

Если согласиться с тем, что в каждом булыжнике содержатся все элементы, то это должно быть справедливо и для живого организма. Все живые организмы на Земле, в том числе и человек, находятся в тесном контакте с окружающей средой. Жизнь требует постоянного обмена веществ в организме. Поступлению в организм химических элементов способствуют питание и потребляемая вода.

Учитель: Сколько химических элементов включает современная периодическая система Д.И. Менделеева?

Из существующих в природе 118 элементов более 13 не имеют никакого значения для функционирования живых организмов, зато 90 элементов в большей или меньшей степени принимает участие и в построении живого организма, и в процессах, в нем происходящих. Основным строительным материалом являются четыре элемента: углерод, водород, кислород и азот, а остальные, часто находясь совсем в микроскопических количествах в организме, влияют на здоровье, и дефицит или избыток какого-либо элемента часто является причиной того или иного заболевания.

Никаких специальных элементов, характерных только для живых организмов, не существует, и это является одним из доказательств общности живой и неживой природы. Но количественное содержание тех или иных элементов в живых организмах и в окружающей их неживой среде существенно отличается. Например, кремния в почве около 33%, а в наземных растениях лишь 0,15%. Подобные различия указывают на способность живых организмов накапливать только те элементы, которые необходимы им для жизнедеятельности.

Для изучения количественного состава химических элементов, содержащихся в клетках живых организмов, проведем самостоятельную работу используя учебник. Самостоятельная работа учащихся (5 минут).

  • Выпишите химические элементы, которые в сумме составляют 98% всего содержимого клетки.
  • Выпишите химические элементы, содержание которых в клетке исчисляется десятыми и сотыми долями процентов.

Учитель: Ребята, проведем проверку выполнения самостоятельной работы.

Итак, мы выявили три группы элементов: макроэлементы – доля которых составляет 98% и микроэлементов – доля которых составляет 1,9%, ультрамикроэлементы, их концентрация не превышает 10-5%. К ним относятся уран, радий, золото, серебро, бериллий, селен и др. редкие элементы.

Многие химические элементы, входящие в состав клетки, выполняют определенную функцию. Химические элементы, которые входят в состав клетки и выполняют биологические функции называются биогенными. К биогенным элементам относится около 30 элементов. Среди биогенных элементов особое место занимают так называемые элементы – органогены, которые образуют важнейшие вещества в живых организмах - воду, белки, жиры, углеводы, витамины, гормоны и др. К органогенам относятся шесть элементов – C, O, H, N, H, S.

К числу биогенных элементов относится и ряд металлов, среди которых особенно важные биологические функции выполняют десять, так называемых “ металлы жизни”. Этими металлами являются четыре s – элемента C ,K, Na, Mg и шесть d элементов – Fe, Zn, Cu, Mn, Mo, Co.

К макроэлементам относят кислород (65—75%), углерод (15—18%), водород (8—10%), азот (2,0—3,0%), калий (0,15—0,4 %), сера (0,15—0,2%), фосфор (0,2—1,0%), хлор (0,05—0,1%), магний (0,02—0,03 %), натрий (0,02—0,03%), кальций (0,04—2,00%), железо (0,01—0,015%. Такие элементы, как C, O, H, N, S, P входят в состав органических соединений.

А теперь мы послушаем выступления учащихся о роли макроэлементов в клетке и в организме растений, животных и человека. В ходе выступления товарищей заполняем таблицу в тетрадях.(Слайд)

  1. Кислород — входит в состав практически всех органических веществ клетки. Образуется в ходе фотосинтеза при фотолизе воды. Для аэробных организмов служит окислителем в ходе клеточного дыхания, обеспечивая клетки энергией. В наибольших количествах в живых клетках содержится в составе воды. Он не только существенная часть вдыхаемого нами воздуха и питьевой воды, он так же занимает значимое место в нашем теле. С 65% общей массы нашего тела, кислород, самый важный химический элемент в составе человеческого организма.
  2. Углерод — входит в состав всех органических веществ; скелет из атомов углерода составляет их основу. Кроме того, в виде CO2 фиксируется в процессе фотосинтеза и выделяется в ходе дыхания, в виде CO (в низких концентрациях) участвует в регуляции клеточных функций, в виде CaCO3 входит в состав минеральных скелетов.
  3. Водород, как и кислород - составной элемент воздуха и питьевой воды. И он также относится к основным компонентам человеческого тела. 10% нашего веса состоят из водорода. Водород — входит в состав всех органических веществ клетки. В наибольших количествах содержится в составе воды. Некоторые бактерии окисляют молекулярный водород для получения энергии.
  4. Азот — входит в состав белков, нуклеиновых кислот и их мономеров — аминокислот и нуклеотидов. Из организма животных выводится в составе аммиака, мочевины, гуанина или мочевой кислоты как конечный продукт азотного обмена. В виде оксида азота NO (в низких концентрациях) участвует в регуляции кровяного давления. Несмотря на то, что азот также содержится в воздухе, он более известен как теплоноситель, в жидкой форме. Всё же, его таинственно испаряющейся газы не должны вводить в заблуждение- 3% массы нашего тела состоят из азота.
  5. Может ли сера, с её неприятным видом и запахом, быть важной для нашего организма? Да, это именно так. Сера - существенная составная часть аминокислот и коферментов. Сера — входит в состав серосодержащих аминокислот, поэтому содержится в большинстве белков. В небольших количествах присутствует в виде сульфат -иона в цитоплазме клеток и межклеточных жидкостях.
  6. Фосфор, как светящееся вещество, известен каждому. Но далеко не каждый знает, что именно благодаря фосфору в организме, происходит образование ДНК, основы человеческой жизни. Фосфор — входит в состав АТФ, других нуклеотидов и нуклеиновых кислот (в виде остатков фосфорной кислоты), в состав костной ткани и зубной эмали (в виде минеральных солей), а также присутствует в цитоплазме и межклеточных жидкостях (в виде фосфат -ионов).
  7. Магний жизненно необходим для всех организмов на земле, естественно, для нас людей, тоже. Вопреки его незначительной части- 0,05% массы нашего тела, недостаток магния ведет к отчётливо ощутимым последствиям: Нервозность, головные боли, усталость и судороги мышц являются только некоторыми из них. Магний — кофактор многих ферментов, участвующих в энергетическом обмене и синтезе ДНК; поддерживает целостность рибосом и митохондрий, входит в состав хлорофилла. В животных клетках необходим для функционирования мышечных и костных систем.
  8. Даже если он и составляет всего 1,5%, кальций- важный металл в нашем организме. Именно он придаёт прочность нашим костям и зубам. Кальций — участвует в свёртывании крови, а также служит одним из универсальных вторичных посредников, регулируя важнейшие внутриклеточные процессы (в том числе участвует в поддержании мембранного потенциала, необходим для мышечного сокращения и экзоцитоза). Нерастворимые соли кальция участвуют в формировании костей и зубов позвоночных и минеральных скелетов беспозвоночных.
  9. Натрий мы потребляем, прежде всего, в форме хлорида натрия, так же известного как поваренная соль. Элемент важен для защиты клеток и движения нервных сигналов. Натрий — участвует в поддержании мембранного потенциала, генерации нервного импульса, процессы осморегуляции (в том числе работу почек у человека) и создании буферной системы крови.
  10. Калий, со скромными 0,2%, принимает небольшое участие в процессах организма. Он относится к электролитам, в которых наше тело нуждается, прежде всего, при спорте. Его недостаток может вызвать чувство истощения и судороги. Калий — участвует в поддержании мембранного потенциала, генерации нервного импульса, регуляции сокращения сердечной мышцы. Содержится в межклеточных веществах.

Учитель: Жизненно необходимые элементы натрий и калий функционируют в паре. Надежно установлено, что всем живым организмам присуще явление ионной асимметрии – неравномерное распределение ионов внутри и вне клетки. Например, внутри клеток мышечных волокон, сердца, печени, почек имеется повышенное содержание ионов калия по сравнению с внеклеточным. Концентрация ионов натрия, наоборот, выше вне клетки, чем внутри ее. Наличие градиента концентраций калия и натрия – экспериментально установленный факт. Интересно, что по мере старения организма градиент концентраций ионов калия и натрия на границе клеток падает. При наступлении смерти концентрации калия и натрия внутри и вне клетки сразу же выравниваются. В организме человека содержится в среднем около 140 г калия и около 100 г. натрия. С пищей мы ежедневно потребляем от 1,5 до 7 г ионов калия и от 2 до 15 г ионов натрия. Потребность в ионах Na настолько велика, что их необходимо специально добавлять в пищу (в виде поваренной соли). Значительная потеря ионов натрия (они выводятся из организма с мочой и потом) неблагоприятно сказывается на здоровье человека. Поэтому в жаркую погоду врачи рекомендуют есть больше солёного. Однако и избыточное содержание их в пище вызывает негативную реакцию организма, например повышение артериального давления.

Учитель: Содержание элементов в организме объясняют следующие четверостишия.

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

Состав человеческого тела.

Французский химик Г. Бертран подсчитал, что тело человека, весящего около 100 кг, содержит кислорода 63 кг, углерода – 19 кг, водорода – 9 кг, азота – 5 кг, кальция – 1 кг, фосфора – 700 г, серы – 640 г, натрия – 25о г, калия – 220 г, хрома – 180 г, магния – 80 г, железа – 3 г, йода – 0,03 г. Фтора, брома, марганца, меди – еще меньше. Посчитайте

А сейчас мы рассмотрим микроэлементы Слайд К микроэлементам, составляющим от 0,001% до 0,000001% массы тела живых существ, относят ванадий, германий, йод, кобальт, марганец, никель, рутений, селен, фтор, медь, хром, цинк.

Среди всех микроэлементов в особую группу выделяют так называемые незаменимые микроэлементы. Незаменимые микроэлементы – микроэлементы, регулярное поступление которых с пищей или водой в организм абсолютно необходимо для нормальной его жизнедеятельности. Незаменимые микроэлементы входят в состав ферментов, витаминов, гормонов и других биологически активных веществ. Незаменимыми микроэлементами являются: железо, йод, медь, марганец, цинк, кобальт, молибден, селен, хром, фтор.

Вопросы к классу:

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

Вам предлагается выслушать внимательно сообщения, которые подготовили ваши одноклассники и ответить на предложенные выше вопросы.

1. “Биологическая роль фтора ”

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 активизации некоторых ферментов. Нормальное поступление фтора в организм человека от 2,5 до 3,5 мг в сутки. Понижение или повышение количества фтора вызывают различные заболевания. Хроническое отравление соединениями фтора вызывает болезнь флюороз.

Учитель: А я хочу добавить к сказанному веселое стихотворение

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

2. “Биологическая роль кобальта”

Кобальт – микроэлемент, оказывающий разнообразное влияние на жизненные процессы растительных, животных организмов и человека. В организме человека содержится 0,03 г.кобальта, из них 14% входит в состав костей, по 43% - в мышцах и мягких тканях. Больше всего кобальта в печени, почках и в поджелудочной железе. Биологическая роль кобальта велика – он участвует в процессах обмена кроветворения, влияет на белковый, жировой, углеводный, минеральный обмены, обмен витаминов. Например, витамин С, ускоряет синтез витамина РР, входит в состав ферментов (пептидазы).

Кобальт является составной частью витамина В12.

3. “Биологическая роль меди”

Медь - один из важнейших микроэлементов, участвующих в процессах фотосинтеза и влияет на усвоение азота растениями. В организме человека содержится около 0,1 г. меди. Суточная потребность взрослого человека от 2 до 3 мг. Медь концентрируется в печени, в крови, в головном мозге, в костях. Дефицит меди и её избыток одинаково вреден для организма. При недостатке меди в рационе человека уменьшается образование гемоглабина и развивается анемия, нарушается костеобразование с изменениеми в скелете. Избыток меди накапливается в печени, мозге, почках, глазах и вызывает хронические воспалительные процессы в тканях.

Учитель: Спасибо, ребята, за выступления.

Оказывается, что можно составить элементный портрет любого человека, который строго соответствует полу, возрасту, конституции, темпераменту и, конечно, образу жизни. Элементный «портрет» – это тот химический состав, т.е. содержание макро- и микроэлементов, который мы «носим» в себе. И если в нашей жизни (организме) происходят какие-то изменения, то они затрагивают и наш элементный состав, который очень быстро реагирует на любые коллизии.

Точный диагноз стресса, который зачастую является причиной заболевания, можно, оказывается, установить по спектральному составу волос. Концентрация всех химических элементов, какие только есть в нашем организме, значительно выше в волосах, нежели в таких привычных для анализа биологических жидкостях, как кровь и моча. Кроме того, волосы концентрируют в себе практически все химические элементы, которые содержатся в нашем организме. Например, если по сыворотке крови достоверно удается получить данные о 6–8 элементах, то волосы «выдают» информацию о 20–30 элементах. Все анализы проводят с помощью плазменного спектрометра. Результаты анализа обрабатываются на компьютере, который извлекает из своей памяти сведения о средней для здорового человека данного пола и возраста норме макро- и микроэлементов, сравнивает с ними элементный состав волос пациента и оценивает отклонения в минеральном составе. В первую очередь определяется содержание таких жизненно важных элементов, как кальций, калий, железо, медь, магний, цинк, потому что функции их чрезвычайно важны для нашего организма.

По отмеченному дисбалансу ставится предварительный диагноз, затем определяется программа лечения, направленная на устранение дефицита недостающего элемента и выведения из организма вредных или содержащихся в избытке веществ. Такая коррекция минерального обмена организма может проводиться путем составления специальной диеты с включением продуктов, которые содержат в значительных количествах элементы, необходимые для нормальной жизнедеятельности вашего организма (причем диета должна составляться только специалистами)

В волосах человека, много думающего, как определили, больше, по сравнению с остальными, цинка и меди. Марганец, свинец, титан, медь и серебро преобладают у тех, у кого цвет волос темный. В седых же волосах содержится лишь никель. Да еще они и с мудростью ассоциируются.

В волосах находят и золото. Причем по его содержанию женщины воистину более драгоценны, чем мужчины. Хотя у Чингисхана якобы имелся целый клок золотых волос на затылке.

Ультрамикроэлементы составляют менее 0,0000001% в организмах живых существ, к ним относят золото, серебро оказывают бактерицидное воздействие, ртуть подавляет обратное всасывание воды в почечных канальцах, оказывая воздействие на ферменты. Так же к ультрамикроэлементам относят платину и цезий. Некоторые к этой группе относят и селен, при его недостатке развиваются раковые заболевания. Селен относится к незаменимым микроэлементам. В тоже время, при передозировке, он сильно токсичен, поэтому его употребление как БАД, вызывает большие дискуссии в кругах учёных.

Функции ультрамикроэлементов еще мало понятны.

  • Итак, ребята, что нового вы узнали на уроке?
  • Что вам понравилось?
  • Что не понравилось?
  • Что вас удивило?

Выставление оценок.

Итог урока.

Домашнее задание.

Приложение, Презентация.