Элементный состав организмов. Классификация химических элементов по их количеству в организмах: макроэлементы, микроэлементы. роль неорганических веществ (воды, кислорода, окислов, кислот, минеральных солей) в жизнедеятельности организмов

ТЕМА УРОКА:

ЭЛЕМЕНТНЫЙ СОСТАВ ОРГАНИЗМОВ. КЛАССИФИКАЦИЯ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ ПО ИХ КОЛИЧЕСТВУ В ОРГАНИЗМАХ: МАКРОЭЛЕМЕНТЫ, МИКРОЭЛЕМЕНТЫ. РОЛЬ НЕОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ (ВОДЫ, КИСЛОРОДА, ОКИСЛОВ, КИСЛОТ, МИНЕРАЛЬНЫХ СОЛЕЙ) В ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ ОРГАНИЗМОВ.

Термины, необходимые для записи в тетрадь:

1. Неорганическая химия –

2. Органическая химия –

3. Биохимия –

4. Цитология –

5. Макроэлементы –

6. Микроэлементы –

7. Ультрамикроэлементы –

8. Биогенные элементы –

9. Органогенные элементы –

10. Примесные элементы –

11. Гидрофильность –

12. Гидрофобность –

Дополнительная информация по материалу: Увеличительные приборы. Устройство светового микроскопа. Как узнать общее увеличение светового микроскопа? История становления цитологии.

Микроскоп - это оптический прибор, позволяющий получить обратное изображение изучаемого объекта и рассмотреть мелкие детали его строения, размеры которых лежат за пределами разрешающей способности глаза.

Разрешающая способность микроскопа дает раздельное изображение двух близких друг другу линий. Невооруженный человеческий глаз имеет разрешающую способность около 1/10 мм или 100 мкм. Лучший световой микроскоп примерно в 500 раз улучшает возможность человеческого глаза, т. е. его разрешающая способность составляет около 0,2 мкм или 200 нм.

Разрешающая способность и увеличение не одно и тоже. Если с помощью светового микроскопа получить фотографии двух линий, расположенных на расстоянии менее 0,2 мкм, то, как бы не увеличивать изображение, линии будут сливаться в одну. Можно получить большое увеличение, но не улучшить его разрешение.

Различают полезное и бесполезное увеличения. Под полезным понимают такое увеличение наблюдаемого объекта, при котором можно выявить новые детали его строения. Бесполезное - это увеличение, при котором, увеличивая объект в сотни и более раз, нельзя обнаружить новых деталей строения. Например, если изображение, полученное с помощью микроскопа (полезное!), увеличить еще во много раз, спроецировав его на экран, то новые, более тонкие детали строения при этом не выявятся, а лишь соответственно увеличатся размеры имеющихся структур.

Устройство микроскопа:

1 - основание (штатив);

2 - микрометрический винт;

3 - макрометрический винт;

4 - винты, перемещающие столик;

5 - предметный столик;

6 - тубусодержатель;

7 - окуляр;

8 - тубус;

9 - револьвер;

10 - объективы;

11 - отверстие предметного столика;

12 - конденсор;

13 - диафрагма конденсора;

14 - винт конденсора;

15 - зеркало.

Объектив - одна из важнейших частей микроскопа, поскольку он определяет полезное увеличение объекта. Объектив состоит из металлического цилиндра с вмонтированными в него линзами, число которых может быть различным. Увеличение объектива обозначено на нем цифрами. В учебных целях используют обычно объективы х8 и х40. Качество объектива определяет его разрешающая способность.

Окуляр устроен намного проще объектива. Он состоит из 2-3 линз, вмонтированных в металлический цилиндр. Между линзами расположена постоянная диафрагма, определяющая границы поля зрения. Нижняя линза фокусирует изображение объекта, построенное объективом в плоскости диафрагмы, а верхняя служит непосредственно для наблюдения. Увеличение окуляров обозначено на них цифрами: х7, х10, х15. Окуляры не выявляют новых деталей строения, и в этом отношении их увеличение бесполезно. Таким образом, окуляр, подобно лупе, дает прямое, мнимое, увеличенное изображение наблюдаемого объекта, построенное объективом.

Для определения общего увеличения микроскопа следует умножить увеличение объектива на увеличение окуляра.

Осветительное устройство состоит из зеркала или электроосветителя, конденсора с ирисовой диафрагмой и светофильтром, расположенных под предметным столиком. Они предназначены для освещения объекта пучком света.

Зеркало служит для направления света через конденсор и отверстие предметного столика на объект. Оно имеет две поверхности: плоскую и вогнутую. В лабораториях с рассеянным светом используют вогнутое зеркало.

Электроосветитель устанавливается под конденсором в гнездо подставки.

Конденсор состоит из 2-3 линз, вставленных в металлический цилиндр. При подъеме или опускании его с помощью специального винта соответственно конденсируется или рассеивается свет, падающий от зеркала на объект.

Ирисовая диафрагма расположена между зеркалом и конденсором. Она служит для изменения диаметра светового потока, направляемого зеркалом через конденсор на объект, в соответствии с диаметром фронтальной линзы объектива и состоит из тонких металлических пластинок. С помощью рычажка их можно то соединить, полностью закрывая нижнюю линзу конденсора, то развести, увеличивая поток света.

Кольцо с матовым стеклом или светофильтром уменьшает освещенность объекта. Оно расположено под диафрагмой и передвигается в горизонтальной плоскости.

Механическая система микроскопа состоит из подставки, коробки с микрометренным механизмом и микрометренным винтом, тубуса, тубусодержателя, винта грубой наводки, кронштейна конденсора, винта перемещения конденсора, револьвера, предметного столика.

Подставка - это основание микроскопа.

Коробка с микрометренным механизмом, построенном на принципе взаимодействующих шестерен, прикреплена к подставке неподвижно. Микрометренный винт служит для незначительного перемещения тубусодержателя, а, следовательно, и объектива на расстояния, измеряемые микрометрами. Полный оборот микрометренного винта передвигает тубусодержатель на 100 мкм, а поворот на одно деление опускает или поднимает тубусодержатель на 2 мкм. Во избежание порчи микрометренного механизма разрешается крутить микрометренный винт в одну сторону не более чем на половину оборота.

Материал для закрепления:

http://*****/video/pravila-raboty-s-mikroskopom-uchebnyi-rolik. html

http://*****/video/mikroskop-levenguka. html

http://*****/video/100-velichaishih-otkrytii-7-ja-serija-biologija. html

Изучение нового материала

Все живые организмы – это биологические системы, имеющие сходные черты строения и жизнедеятельности. У них единый генетический код, близкие химический состав, строение молекул и клеток, однотипное строение тела на одинаковых уровнях организации. Такое единство живых организмов дает возможность построить общую систему уровней организации живой материи от молекулярного до биосферного.

Известно, что низшей ступенью организации является клетка, она обладает всеми свойствами живого. Клетка осуществляет обмен веществ и энергией, растет, размножается и передает по наследству свои признаки. Она реагирует на внешние раздражители и способна двигаться. Поэтому мы сегодня снова говорим о клетке. Давайте вспомним, как называется наука о клетке. Это цитология. Исследуя клетку как важнейшую структурную единицу живого, цитология занимает центральное положение в ряду биологических дисциплин; она тесно связана с гистологией, анатомией, физиологией и биохимией. Мы вводим новый термин, поэтому запишите его формулировку в тетрадях.

Клетки различной формы, выполняющие разные функции:

1 – клетки кишечника;

2 – бактерии;

3 – диатомовая водоросль;

4 – мышечная клетка;

5 – нервная клетка;

6 – инфузория;

7 – клетки лука;

8 – жгутиконосец.

Цитология — наука, изучающая строение и функции клеток. Клетка является элементарной структурной и функциональной единицей живых организмов. Клеткам одноклеточных организмов присущи все свойства и функции живых систем. Клетки многоклеточных организмов дифференцированы по строению и функциям.

В состав любой клетки входят около 80 элементов периодической таблицы Менделеева из известных более 100 химических элементов. Они образуют два класса соединений: органические и неорганические.

Для подтверждения, сказанного можно провести демонстрационный опыт «Сжигание муки в фарфоровой чашке»

Признаки реакции:

- капельки воды (пары воды конденсируются на холодной стеклянной пластинке);

- дым (сгорают органические вещества);

- зола (неорганические вещества).

Атомный состав: в состав клетки входит около 80 элементов Периодической системы элементов Менделеева, причем 24 из них присутствуют во всех типах клеток.

Макроэлементы — Н, О, N, С, и др.

Микроэлементы — Mg, Na, Са, Fe, К, Р, CI, S, и др.

Ультрамикроэлементы — Zn, Сu, I, F, Мn, Со, Si и др.

Молекулярный состав: в состав клетки входят молекулы неорганических и органических соединений.

Биохимия – это наука, изучающая входящие в состав организмов химические вещества, их структуру, распределение, превращения и функции. Биохимия связана с хозяйственной деятельностью человека и медициной. Принципиальное значение для развития биохимии имел первый синтез природного вещества – мочевины, подорвавший представление о «жизненной силе», якобы участвующей в синтезе организмов различных веществ. Используя достижения общей, аналитической и органической химии, биохимия в XIX в. сформировалась в самостоятельную науку. Здесь две науки – биология и химия – неразрывно связаны друг с другом. Живой мир многообразен. Один из основоположников биохимии Макс Дельбрюк отметил: «Открытие деления и мутаций позволяет верить, что игра эволюции продолжается и разнообразие форм будет безгранично умножаться». Несмотря на многообразие форм, клетки разных типов обладают поразительным сходством в своих главных структурных особенностях.

Сущность живого – это целая цепь хорошо организованных химических реакций. Так, в живой клетке протекает бесчисленное множество превращений одних молекул в другие, что создает энергетическую и материальную основу всего живого. Химические процессы в живых системах очень хорошо организованы, строго сбалансированы, точно обусловлена пространственная и временная очередность событий. Науке свойственно стремление к познанию первооснов окружающего нас мира. Две трети поверхности Земли покрыто водами рек, озер, морей, океанов. Океаны, колыбель жизни на Земле, с точки зрения химика, представляют собой водный раствор множества химических веществ. «Именно в этом растворе впервые развились живые организмы, и из этого раствора они получали ионы и молекулы, необходимые для их роста и жизни… – пишет в одной из своих работ лауреат Нобелевской премии американский химик Лайнус Полинг и продолжает: – С течением времени живые организмы развивались и изменялись, что позволило им покинуть водную среду и перейти на сушу и затем подняться в воздух. Они приобрели эту способность, сохранив в своих организмах водный раствор в виде жидкой составляющей ткани, плазмы крови, межклеточной жидкости, содержащей необходимый запас ионов и молекул».

Неорганические вещества клетки

Вода. Молекула воды имеет нелинейную пространственную структуру и обладает полярностью. Между отдельными молекулами образуются водородные связи, определяющие физические и химические свойства воды.

Рис.1. Молекула воды.

Рис.2. Водородные связи между молекулами воды.

Физические свойства воды:

· вода может находиться в трех состояниях — жидком, твердом и газообразном;

· вода — растворитель. Полярные молекулы воды растворяют полярные молекулы других веществ. Вещества, растворимые в воде, называют гидрофильными. Вещества, не растворимые в воде, — гидрофобными;

· высокая удельная теплоемкость. Для разрыва водородных связей, удерживающих молекулы воды, требуется поглотить большое количество энергии. Это свойство воды обеспечивает поддержание теплового баланса в организме;

· высокая теплота парообразования. Для испарения воды необходима достаточно большая энергия. Температура кипения воды выше, чем у многих других веществ. Это свойство воды предохраняет организм от перегрева;

· молекулы воды находятся в постоянном движении, они сталкиваются друг с другом в жидкой фазе, что немаловажно для процессов обмена веществ;

· сцепление и поверхностное натяжение. Водородные связи обусловливают вязкость воды и сцепление ее молекул с молекулами других веществ (когезия). Благодаря силам сцепления молекул на поверхности воды создается пленка, которую характеризует поверхностное натяжение;

· плотность. При охлаждении движение молекул воды замедляется. Количество водородных связей между молекулами становится максимальным. Наибольшую плотность вода имеет при +4°С. Замерзая, вода расширяется (необходимо место для образования водородных связей), и ее плотность уменьшается, поэтому лед плавает на поверхности воды, что защищает водоем от промерзания;

· способность к образованию коллоидных структур. Молекулы воды образуют вокруг нерастворимых молекул некоторых веществ оболочку, препятствующую образованию крупных частиц. Такое состояние этих молекул называется дисперсным (рассеянным). Мельчайшие частицы веществ, окруженные молекулами воды, образуют коллоидные растворы (цитоплазма, межклеточные жидкости).

Биологические функции воды:

· транспортная — вода обеспечивает передвижение веществ в клетке и организме, поглощение веществ и выведение продуктов метаболизма. В природе вода переносит продукты жизнедеятельности в почвы и к водоемам;

· метаболическая — вода является средой для всех биохимических реакций и донором электронов при фотосинтезе, она необходима для гидролиза макромолекул до их мономеров;

· участвует в образовании:

1) смазывающих жидкостей, которые уменьшают трение (синовиальная — в суставах позвоночных животных, плевральн ая, в плевральной полости, перикардиальная — в околосердечной сумке);

2) слизей, которые облегчают передвижение веществ по кишечнику, создают влажную среду на слизистых оболочках дыхательных путей;

3) секретов (слюна, слезы, желчь, сперма и т. д.) и соков в организме.

Неорганические ионы.

Конечно, о воде можно говорить много. Действительно, ее роль в любом живом организме огромна. Но помимо воды в числе неорганических веществ клетки нужно назвать и соли. Соли находятся либо в диссоциированном, либо в твердом состоянии. Концентрация катионов и анионов в клетке и в окружающей ее среде неодинакова. В клетке содержится довольно много калия и очень мало натрия. Во внеклеточной среде, например, в плазме крови, в морской воде, наоборот, много натрия и мало калия. Раздражительность клетки зависит от соотношения концентраций ионов Na+, K+, Ca2+, Mg2+ .

Неорганические ионы клетки представлены: катионами К+, Na+, Са2+, Mg2+, NH3 и анионами Сl-, NOi2-, H 2PO4-, HCO3-, HPO42-.

Разность между количеством катионов и анионов 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 4—7.

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.

Существую различные классификации химических элементов, содержащихся в организме человека. Так в зависимости от среднего содержания (массовой доли ω, %) в живых организмах делил элементы по декадной системе.

Соответственно этой классификации элементы, содержащиеся в живых организмах, делятся на три группы:

•Макроэлементы. Это элементы, содержание которых в организме выше 10 х(-2) %. К ним относятся кислород, углерод, водород, азот, фосфор, сера, кальций, магний, натрий и хлор.

•Микроэлементы. Это элементы, содержание которых в организме находится в пределах от 10 х(-3) до 10 х(-5) %. К ним относятся йод, медь, мышьяк, фтор, бром, стронций, барий, кобальт.

•Ультрамикроэлементы. Это элементы, содержание которых в организме ниже 10 х(-5) %. К ним относятся ртуть, золото, уран, торий, радий и др.

В настоящее время в литературе ультрамикроэлементы объединены с микроэлементами в одну группу.

, исходя из значимости для жизнедеятельности, подразделил химические элементы на 3 группы:

•Жизненно необходимые (незаменимые) элементы. Они постоянно содержаться в организме человека, входят в состав ферментов, гормонов и витаминов: H, O, Ca, N, K, P, Na, S, Mg, Cl, C, I, Mn, Cu, Co, Fe, Zn, Mo, V. Их дефицит приводит к нарушению нормальной жизнедеятельности человека.

•Органогенные элементы. Эти элементы постоянно содержаться в организме животных и человека: Ga, Sb, Sr, Br, F, B, Be, Li, Si, Sn, Cs, Al, Ba, Ge, As, Rb, Pb, Ra, Bi, Cd, Cr, Ni, Ti, Ag, Th, Hg, U, Se. Биологическая роль их мало выяснена или неизвестна.

•Примесные элементы (Sc, Tl, In, La, Pr, Sm, W, Re, Tb и др.). Обнаружены в организме человека и животных. Данные о количестве, и биологическая роль не выяснены.

Элементы, необходимые для построения и жизнедеятельности различных клеток и организмов, называют биогенными элементами.

Точно перечислить все биогенные элементы еще невозможно из-за сложности определения очень низких концентраций микроэлементов и установления их биологических функций. Для 24 элементов биогенность установлена надежно. Это элементы 1-й и некоторые элементы 2-ой групп по Ковальскому.

Топография важнейших биогенных элементов в организме человека

Органы человека по-разному концентрируют в себе различные химические элементы, то есть микро - и макроэлементы неравномерно распределяются между разными органами и тканями. Большинство микроэлементов накапливается в печени, костной и мышечной тканях. Эти ткани являются основным депо (запасником) для многих микроэлементов.

Микроэлементы могут проявлять специфическое родство по отношению к некоторым органам и содержаться в них в высоких концентрациях. Хорошо известно, что цинк концентрируется в поджелудочной железе, йод – в щитовидной, фтор – в эмали зубов, алюминий, мышьяк, ванадий накапливаются в волосах и ногтях, кадмий, ртуть, молибден – в почках, олово – в тканях кишечника, стронций – в пигментной сетчатке глаза, бром, марганец, хром – в гипофизе и т. д.

В организме микроэлементы могут находиться как в связанном состоянии, так и в виде свободных ионных форм. Установлено, что кремний, алюминий, медь и титан в тканях головного мозга находятся в виде комплексов с белками, тогда как марганец – в ионном виде.

Кальций преимущественно концентрируется в костной ткани, а также и в зубной ткани. Натрий и хлор в основном содержатся во внеклеточных жидкостях, а калий и магний – во внутриклеточных. В виде фторидов натрий и калий входят в состав костной и зубной ткани. Магний в виде фосфата Mg3(PO4)2 содержится в твердых тканях зуба.

Десять металлов, жизненно необходимых для организма, получили название «металлы жизни».

Так, установлено, что в организме человека массой 70 кг содержание «металлов жизни» составляет (в г):

ü кальция – 1700;

ü калия - 250;

ü натрия – 70;

ü магния – 42;

ü железа – 5;

ü цинка – 3;

ü меди – 0,2;

ü марганца, молибдена и кобальта, вместе взятых – менее 0,1.

В теле взрослого человека содержится около 3 кг минеральных солей, причем 5/6 этого количества (2,5 кг) приходится на долю костной ткани.

Некоторые макроэлементы (магний, кальций) и большинство микроэлементов содержатся в организме в виде комплексов с биолигандами – аминокислотами, белками, нуклеиновыми кислотами, гормонами, витаминами и т. д. Так, ион Fe2+ в качестве комплексообразователя входит состав гемоглобина, Cа2+ - в витамин В12, Mg2+ - в хлорофилл. Известны многочисленные биокомплексы и других элементов (Cu, Zn, Mo и др.), играющие важную биологическую роль в организме.

На изменение содержания в организме химических элементов влияют различные заболевания. Так, при рахите происходит нарушение фосорно-кальциевого обмена, что приводит к снижению содержания кальция в костной ткани. При нефрите из-за нарушения электролитного обмена уменьшается содержание кальция, натрия, хлора и повышается содержание магния, калия в организме. В поддержании определенного содержания макро - и микроэлементов в организме участвуют гормоны.

Домашнее задание: прочитать учебник §§ 4,5,6.

http://4book. org/uchebniki-ukraina/10-klass/1040-biologiya-10-klass-balan

В тетради выполните Практическую работу №1.

Тема работы: Определение содержания воды в собственном организме.

Цель работы: Исследовать зависимость содержания воды в организме человека в зависимости от возрастных изменений.

Оборудование: весы, таблица «Возрастные изменения содержания воды в организме человека».

Секторы воды в организме	Возраст
Новорожденный	До 6 мес.	6 мес. – 1 год	1год – 5 лет	Старше 5 лет	Школьники	Завершение роста	Взрослые	Пожилые
Общее содержание жидкости	80%	75%	70%	65-70%	65%	65%	65%	60%	55%
В том числе
Внутриклеточная	35%	35%	35%	35-40%	35%	35%	35%	30%	30%
Внеклеточная	45%	40%	35%	30%	30%	30%	30%	30%	25%

Ход работы:

1. С помощью напольных весов определите свою массу тела.

2. Используя таблицу, определите содержание воды в собственном организме.

3. Подобным образом определите содержание воды в организме ваших родителей, дедушек и бабушек.

4. Результаты оформите в тетради.

5. Сделайте выводы.

Ответьте на задания теста и отправьте ответы до 23.09.14. Желаю успеха!

Тест «Неорганические вещества клетки» содержит

только один правильный ответ

1. Сколько химических элементов можно обнаружить в клетке?

а) 24; б) 60; в) 150.

2. Какие химические элементы, содержащиеся в клетке, относят к макроэлементам?

а) S, Na, Ca, K; б) O, H, C, N; в) Ni, Cu, I, Br.

3. В каких клетках человека больше всего воды?

а) жировых; б) костных; в) нервных.

4. Каковы функции воды в клетке?

а) передача наследственной информации;

б) среда для химических реакций;

в) источник энергии.

5. К гидрофобным веществам относят:

а) соли; б) сахар; в) жиры.

6. Какие ионы входят в состав гемоглобина?

а) Mg2+; б) Fe2+; в) Zn2+.

7. На каком уровне организации наблюдаются различия между органическим и неорганическим миром?

а) атомарный; б) молекулярный; в) клеточный.

8. Больше всего воды содержится в клетках:

а) эмбриона; б) молодого человека; в) старика.

9. Вода – основа жизни, т. к. она:

а) может находиться в трех состояниях (жидком, твердом и газообразном);

б) является растворителем, обеспечивающим как приток веществ в клетку, так и удаление из нее продуктов обмена;

в) охлаждает поверхность при испарении.

10. Вещества, хорошо растворимые в воде, называются:

а) гидрофильными; б) гидрофобными; в) амфифильными.

11. Угол между валентными связями Н–О–Н в молекуле воды составляет:

а) 90°; б) 104,5°; в) 120°.

12. Чем объясняется относительное постоянство реакции среды содержимого клетки?

а) тургором; в) осмосом; в) буферностью.

№	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
Вариант