Тема: Химический состав клетки. Неорганические вещества.
Цель: изучение химического состава клетки и формирование знаний о строении и свойствах воды, минеральных солей и составляющих их химических элементах.
Задачи: 1. Дать характеристику химическому составу клетки. Раскрыть свойства и значение воды, роль важнейших катионов и анионов в клетке.
2. Формирование навыков лекционной работы.
3. Воспитание всесторонне развитой личности, адаптированной к жизни в социуме.
Оборудование: модель воды, компьютер, проектор, экран.
Тип урока: урок формирования новых знаний
Лекция с элементами беседы.
Структура урока:
- Учитель формирует проблемный вопрос: Какой вывод можно сделать о связи живой природы с неживой на основании знаний о химической организации клетки?
- Лекция с элементами беседы
Слайд 1. Химические соединения клетки.
Органические и неорганические вещества в составе клетки.
Сегодня на уроке речь пойдет о неорганических веществах клетки
Слайд 2. Химический состав клетки
В клетках обнаружено от 70 до 90 из элементов, составляющих периодическую систему . Приблизительно 40 элементов принимают участие в процессах обмена веществ и обладают выраженной биологической активностью. Эти элементы называются биогенными.
Биогенные элементы – химические элементы, которые, входя в состав клеток, выполняют биологические функции.
Около 98 % массы составляют всего четыре элемента: кислород, углерод, водород и азот. На долю кислорода приходится 65 %, углерода – 18 %, водорода – 10 % и азота – 3 %. Среди некоторых ученых существует уверенность, что возникновение и существование земной жизни, очевидно, стало возможно лишь благодаря уникальной способности углерода образовывать большие молекулы.
Далее следуют кальций, калий, кремний, фосфор, магний, сера, хлор, натрий, алюминий, железо. Названные элементы находятся в клетке в сравнительно больших количествах – десятые и сотые доли процента, и вместе с первыми четырьмя (О, С, Н и N) составляют группу макроэлементов.
В несколько меньшем количестве в клетках встречаются элементы, объединенные в группу микроэлементов. Это цинк, кобальт, йод, медь, фтор, бор, никель, серебро, литий, хром и некоторые другие. Их содержание в клетке колеблется от тысячных до стотысячных долей процента, а суммарная масса всех микроэлементов составляет 0,02 %.
Третью группу составляют ультрамикроэлементы – золото, ртуть, радий и некоторые другие элементы, присутствующие в клетках в миллионных долях процента.
Слайд 3. Макроэлементы, входящие в состав клеток
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.
Слайды 4-6. Значение для клетки и организма макроэлементов
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.
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.
Водород — входит в состав всех органических веществ клетки. В наибольших количествах содержится в составе воды. Некоторые бактерии окисляют молекулярный водород для получения энергии.
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.
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.
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).
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.
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.
Натрий — участвует в поддержании мембранного потенциала, генерации нервного импульса, процессы осморегуляции (в том числе работу почек у человека) и создании буферной системы крови.
Калий — участвует в поддержании мембранного потенциала, генерации нервного импульса, регуляции сокращения сердечной мышцы. Содержится в межклеточных веществах.
Хлор — поддерживает электронейтральность клетки, обусловливает нормальный ритм сердечной деятельности, влияет на синтез гормонов.
Слайд 7-8. Значение для клетки и организма микроэлементов.
Микроэлементы составляют от 0,001 % до 0,000001 % массы тела живых существ.
Цинк — входит в состав ферментов, участвующих в спиртовом брожении, в состав инсулина
Медь — входит в состав окислительных ферментов, участвующих в синтезе цитохромов; гемоцианов у беспозвоночных, участвует в процессах кроветворения.
Иод - входит в состав гормонов щитовидной железы.
Молибден – входит в состав некоторых ферментов, участвует в процессах связывания атмосферного азота растениями.
Кобальт – входит в состав витамина В12, участвует в фиксации атмосферного азота растениями и в развитии эритроцитов
Слайд 9. Суточная потребность человека в минеральных веществах
Кальций - 800—1200 мг.
Калий - мг.
Магний- 400 мг.
Фосфор - 1200 мг.
Железо - 10-20 мг.
Медь - 1-5 мг.
Цинк - 15-25 мг.
Йод - 100—200 мкг.
Марганец - 5-10 мг.
Хром - 100—200 мкг.
Кобальт - 300 мкг.
Молибден - 200 мкг.
Селен - 30-100 мкг.
Сера мг.
Бор. - 3 мг.
Алюминий - 30-100 мкг.
Бром - 20-80 мкг.
Олово - 7 мкг.
Ванадий - 100 мкг.
Никель- 35-60 мкг.
Фтор - 2-3 мкг.
Титан - 300—600 мкг.
Германий - 1500 мкг.
Кремний - 30 мг.
Слайд 10-11. Вода – обязательный компонент живых клеток. Особенности строения воды.
К неорганическим веществам относятся: вода, составляющая примерно 70-80% массы организма; в клетках эмали зубов вода составляет по массе около 10%, а в клетках развивающегося зародыша — более 90%. Биологическое значение воды основано на ее химических и физических свойствах.
Химические и физические свойства воды 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 небольшой отрицательный заряд, а два водородных — небольшие положительные заряды. Это делает молекулу воды диполем. Угол связи Н-О-Н составляет 104,5 . 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. При взаимодействии молекул воды друг с другом между ними устанавливаются водородные связи. Они в 15—20 раз слабее ковалентной (для разрыва такой связи требуется примерно в 20 раз меньше энергии, чем для разрыва ковалентной связи), но, поскольку каждая молекула воды способна образовывать 4 водородные связи, они существенно влияют на физические свойства воды. Огромное количество водородных связей «структурирует воду».
 |
 |
Слайд 12-13. Физические и химические 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. Вода практически не сжимается, прозрачна в видимом участке спектра. Вода —вещество, плотность которого в жидком состоянии больше, чем в твердом, при 4ºС у нее максимальная плотность, у льда плотность меньше, он поднимается на поверхность и защищает водоем от промерзания.
Физические и химические свойства делают ее уникальной жидкостью и определяют ее биологическое значение. Вода — хороший растворитель ионных (полярных), а также некоторых не ионных соединений, в молекуле которых присутствуют заряженные (полярные) группы. Любые полярные соединения в воде гидратируются (окружаются молекулами воды), при этом молекулы воды участвуют в образовании структуры молекул органических веществ. Если энергия притяжения молекул воды к молекулам какого-либо вещества больше, чем энергия притяжения между молекулами вещества, то вещество растворяется.
Слайд 14. Классификация веществ по отношению к воде.
По отношению к воде различают: гидрофильные вещества — вещества, хорошо растворимые в воде; гидрофобные вещества — вещества, практически нерастворимые в воде. Большинство биохимических реакций может идти только в водном растворе; многие вещества поступают в клетку и выводятся из нее в водном растворе. Большая теплоемкость и теплопроводность воды способствуют равномерному распределению тепла в клетке. Гидрофобный слой биологических мембран выполняет функцию барьера, отделяющего содержимое клетки от внешней среды. Способность воды проникать через такой барьер с низкой концентрацией солей или гидрофильных органических соединений в раствор с высокими концентрациями этих веществ лежит в основе осмоса, который обеспечивает поступление воды в клетки, поддержание тургора. Движение воды и солей по проводящим пучкам растений.
Слайд 15. Значение воды.
Благодаря большой потери тепла при испарении воды, происходит охлаждение организма. Благодаря силам адгезии и когезии, вода способна подниматься по капиллярам (один из факторов, обеспечивающих движение воды в сосудах растений). Вода является непосредственным участником многих химических реакций (гидролитическое расщепление белков, углеводов, жиров и др.). Молекула воды может участвовать в реакциях гидролиза: разрыва ковалентной связи с присоединением к образовавшимся продуктам водорода и гидроксила; может участвовать в реакциях гидрирования: присоединения молекул воды по двойной связи.
Несжимаемость воды придает клеткам и тканям упругость, определяет напряженное состояние клеточных стенок (тургор), а также выполняет опорную функцию (гидростатический скелет, например, у круглых червей).
Слайд 16. Важнейшие анионы.
Буферность – способность поддерживать рН на определенном уровне. Величина рН, равная 7,0 соответствует нейтральному, ниже 7,0 – кислому, выше 7,0 – щелочному раствору.
Дигидрофосфат-ион; гидрофосфат-ион
Н2РО4- ---- НРО42- + Н+
Гидрокарбонат-ион; угольная кислота
НСО3- + Н+Н2СО3
Являются буферными системами, поддерживающими определенный рН – 7,4 в клетке.
Закрепление изученного на уроке:
Возвращаемся к проблемному вопросу:
Какой вывод можно сделать о связи живой природы с неживой на основании знаний о химической организации клетки?
( Обучающиеся делают вывод: Изучение элементного состава клетки подтверждает единство живой и неживой природы. В состав живых организмов входят те же химические элементы, которые составляют и тела неживой природы. Основные различия живой и неживой природы касаются соотношений различных элементов.)
Обучающимся предлагаются тестовые вопросы.
1. Четыре химических элемента встречаются в клетке в наибольшем количестве. На их долю приходится 98% содержимого клетки. Укажите химический элемент, НЕ относящийся к ним:
1) О
2) Р
3) N
4) Н
5) С
2. Что побуждает молекулы гидрофобных химических соединений слипаться друг с другом?
1) Взаимодействие друг с другом
2) Взаимодействие с молекулами воды
3) Взаимодействие молекул воды друг с другом
3. Благодаря смещению электронных облаков молекула воды становится заряженной и может взаимодействовать с другими молекулами воды. Какое максимальное количество молекул воды может взаимодействовать с одной молекулой воды, образуя с ней водородные связи
1) ОДНА
2) ДВЕ
3) ТРИ
4) ЧЕТЫРЕ
5) ПЯТЬ
4. Назовите химический элемент, который в виде иона в больших количествах входит в состав межклеточной жидкости, где его существенно больше, чем в цитоплазме, и принимает непосредственное участие в формировании распространяющегося по мембране клеток кратковременного электрического импульса
1) Н
2) О
3) Fe
4) Ca
5) Mg
6) K
7) Na
8) Zn
9) P
5. Назовите химический элемент, который входит в состав наиболее распространенного на Земле химического соединения, абсолютного большинства органических соединений, является акцептором электронов при различных биохимических реакциях, в том числе при клеточном дыхании
1) H
2) O
3) N
4) C
5) S
6) Fe
7) Ca
8) Mg
9) K
10) Na
11) Zn
12) P
6. Укажите группу химических элементов, содержание которых в клетке составляет в сумме 98%
1) H, O, S, P
2) H, C, O, N
3) N. P,H, O
4) C, H,K, Fe
7. Назовите химический элемент, который входит в состав всех органических соединений, создавая их основу и обеспечивая огромное разнообразие их строения.
1) H
2) O
3) N
4) C
5) S
6) Fe
7) Ca
8) Mg
9) K
10) Na
11) Zn
12) P
8. Какие химические связи образуют между собой молекулы воды
1) Ковалентные
2) Водородные
3) Гидрофобные
9. Назовите химический элемент, который входит в состав компонента костной ткани и раковин моллюсков, принимает участие в мышечном сокращении и свертывании крови, является посредником в передаче информационного сигнала от наружной плазматической мембраны в цитоплазму клетки
1) H
2) O
3) N
4) C
5) S
6) Fe
7) Ca
8) Mg
9) K
10) Na
11) Zn
12) P
10. Назовите химический элемент, который входит в состав АТФ и всех мономеров белков и нуклеиновых кислот
1) Zn
2) Na
3) N
4) P
5) S
6) Fe
7) Ca
8) Vg
9) K
10)
11. Какова кислотность внутренней среды клетки
1) НЕЙТРАЛЬНАЯ
2) СЛАБОЩЕЛОЧНАЯ
3) СЛАБОКИСЛАЯ
12. Назовите химический элемент, который входит в состав белков, где принимает непосредственное участие в формировании третичной структуры, образуя прочные ковалентные связи между радикалами некоторых аминокислот
1) H
2) O
3) N
4) C
5) S
6) Fe
7) Ca
8) Mg
9) K
10) Na
11) Zn
12) P
13. Назовите химический элемент, который входит в состав хлорофилла и является необходимым для сборки малой и большой субъединиц рибосом в единую структуру, активируя некоторые ферменты
1) H
2) O
3) N
4) C
5) S
6) Fe
7) Ca
8) Mg
9) K
10) Na
11) Zn
12) P
14. Четыре химических элемента встречаются в клетке в наибольшем количестве. На их долю приходится 98% содержимого клетки. Укажите химический элемент, НЕ относящийся к ним:
1) O
2) C
3) S
4) N
5) H
15. Назовите химический элемент, который входит в состав нуклеиновых кислот и АТФ и принимает непосредственное участие в формировании макроэргических связей, энергия которых непосредственно используется в биохимических реакциях.
1) Na
2) Zn
3) N
4) C
5) S
6) Fe
7) Ca
8) Mg
9) K
10) P
16. Назовите химический элемент, который входит в состав активизированной формы гормона инсулина и регуляторных белков, управляющих работой генов ДНК
1) Fe
2) Ca
3) Mg
4) K
5) Na
6) Zn
7) P
17. Вода обладает важными уникальными физическими свойствами, благодаря которым она выполняет присущие ей функции в живых организмах и биосфере. Укажите свойство, которое к их числу не относится.
1) ВЫСОКАЯ УДЕЛЬНАЯ ТЕПЛОЕМКОСТЬ
2) ВЫСОКАЯ УДЕЛЬНАЯ ТЕПЛОТА ПАРООБРАЗОВАНИЯ
3) ВЫСОКАЯ РАСТВОРЯЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ
4) ВЫСОКАЯ ПРОНИКАЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ
18. Назовите жидкость, которая по солевому составу наиболее близка к плазме крови наземных позвоночных животных
1) 0,9% раствор NaCl
2) Морская вода
3) Вода пресных водоемов
19. Каково соотношение ионов натрия и калия в клетках животных и в окружающей их среде – межклеточной жидкости и в крови
1) Натрия в клетке больше, чем снаружи, а калия, наоборот, больше снаружи, чем в клетке
2) Натрия снаружи столько же, сколько калия внутри клетки
3) Натрия внутри клетки меньше, чем снаружи, а калия, наоборот, больше в клетке, чем снаружи.
20. Все ниже перечисленные катионы, кроме одного, входят в состав солей и являются наиболее важными для жизнедеятельности клетки катионами. Укажите «лишний» среди них катион
1) Катион кальция
2) Катион магния
3) Катион натрия
4) Катион калия
5) Катион железа
( ответы:
1-2
2-2
3-4
4-7
5-2
6-2
7-4
8-2
9-7
10-4
11-2
12-5
13-8
14-3
15-10
16-6
17-4
18-2
19-3
20-5
Вопросы :
1) Каковы особенности строения молекулы воды?
2) Какими свойствами обладает вода?
3) В чем заключается биологическая роль воды?
4) Какие вещества называются гидрофильными? Гидрофобными?
Домашнее задание: стр. 85-88 УМК , , «Общая биология» 10 класс, М.: Дрофа, 2010
Творческая группа готовит проект «Биологическая роль минеральных веществ для организма человека»
