Фролова Галина Николаевна, учитель биологии МОУ Лицей №15 Заводского района г.Саратова 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. проблемный вопрос Какой вывод можно сделать о связи живой природы с неживой на основании знаний о химической организации клетки? Химические соединения клетки. Неорганические вещества Содержание % Органические вещества Содержание % вода 70-80 белки 10-20 Минеральные вещества 1,0-1,5 жиры 1-5 углеводы 0,2-2,0 Нуклеиновые кислоты 1,0-2,0 АТФ и другие низкомолекуляр ные органические кислоты 0,1-0,5 Химический состав клетки В клетках обнаружено от 70 до 90 из 107 (110) элементов, составляющих периодическую систему Д.И. Менделеева. 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 %. кальций, калий, кремний, фосфор, магний, сера, хлор, натрий, алюминий, железо - 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. Макроэлементы, входящие в состав клеток 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 %. 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. Роль магния, натрия на клеточном и организменном уровне элемент Роль в клетке Роль в растительном Роль в животном организме организме Магний Кофактор многих ферментов, участвующих в энергетическом обмене и синтезе ДНК Входит в состав молекулы хлорофилла, ион магния наряду с ионом кальция образует соли с пектиновыми веществами Входит в состав ферментов, необходимых для функционирования мышечной, нервной и костной ткани натрий Участвует в создании и поддержании биоэлектрического потенциала на мембранах Ионы натрия участвуют в поддержании осмотического потенциала клеток, что обеспечивает поглощение воды из почвы Ионы влияют на работу почек; участвуют в поддержании сердечного ритма; участвуют в регулировании кислотнощелочного равновесия организма Роль кальция на клеточном и организменном уровне элемент Роль в клетке Роль в растительном организме Роль в животном организме кальций Ионы, образуя соли пектиновых кислот, придают твердость межклеточному веществу, соединяющему растительные клетки; участвуют в формировании срединной пластинки между клетками Нерастворимые соли кальция входят в состав костей позвоночных, раковин моллюсков; участвуют в образовании желчи; повышают рефлекторную возбудимость спинного мозга; участвуют в синаптической передаче нервного импульса; в процессах свертывания крови; активируют ферменты при сокращении поперечно - полосатых мышечных волокон Ионы участвуют в регуляции избирательной проницаемост и клеточной мембраны; участвуют в процессах соединения ДНК с белками Роль железа на клеточном и организменном уровне элемент Роль в клетке Роль в растительном организме Роль в животном организме железо Входит в состав цитохромовферментов – переносчиков электронов на 3 этапе диссимиляции и в световой фазе фотосинтеза Участвуют в биосинтезе хлорофилла; входит в состав ферментов, участвующих в дыхании; в составе цитохромов – переносчиков электронов в ходе фотосинтеза Входит в состав гема белка – переносчика кислорода – гемоглобина и белка , содержащего запас кислорода в мышцах – миоглобина; небольшой запас находится в железосодержащем белке ферритине в печени и селезенке. Роль калия на клеточном и организменном уровне элемент Роль в клетке Роль в растительном организме Роль в животном организме калий Участвует в поддержании коллоидных свойств цитоплазмы; участвует биоэлектрического потенциала на мембране( натрийкалиевый насос); активирует ферменты, участвует в синтезе белка, входит в состав ферментов, участвующих в гликолизе. Участвует в регуляции водного режима; входит в состав ферментов, участвующих в фотосинтезе; обычный компонент клеточного сока в вакуолях растительных клеток. Участвует в поддержании сердечного ритма (вместе с натрием и кальцием), участвует в проведении нервного импульса. Роль серы на клеточном и организменном уровне элемент Роль в клетке Роль в растительном организме Роль в животном организме сера В основном предопределяется ролью этого элемента в клетке В основном предопределяется ролью этого элемента в клетке, кроме того, входит в состав инсулина, витамина В1, биотина. Входит в состав серосодержащих аминокислот( цистина, цистеина, метионина)4 участвует в формировании третичной структуры белка (образованиие дисульфидных мостиков); входит в состав кофермента А и некоторых ферментов ; сера входит в состав бактериохлорофилла, сероводород является источником водорода; Роль фосфора, хлора на клеточном и организменном уровне элемент Роль в клетке Роль в растительном организме Роль в животном организме фосфор В виде остатков фосфорной кислоты входит в состав АТФ, нуклеотидов, ДНК,РНК, коферментов НАД, НАДФ, ФАД, фосфорилированных сахаров, фосфолипидов, многих ферментов, входит в состав всех мембранных структур. В основном предопределяе тся ролью этого элемента в клетке В виде фосфатов входит в состав костной ткани, зубной эмали, у млекопитающих фосфатная буферная система. хлор Анионы хлора поддерживают электронейтральность клетки Анионы хлора участвуют в регуляции тургорного давления Анионы участвуют в формировании осмотического потенциала плазмы крови, в процессах возбуждения и торможения в нервных клетках, компонент желудочного сока Роль цинка, меди, йода, молибдена, кобальта на клеточном и организменном уровне 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. Йод - 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 Суточная потребность человека в минеральных веществах Кальций - 800—1200 мг. Калий - 2500-5000 мг. Магний- 400 мг. Фосфор - 1200 мг. Железо - 10-20 мг. Цинк - 15-25 мг. Йод - 100—200 мкг. Хром - 100—200 мкг. Кобальт - 300 мкг. Селен - 30-100 мкг. Сера -500-3000 мг. Алюминий - 30-100 мкг. Бром - 20-80 мкг. Ванадий - 100 мкг. Никель- 35-60 мкг. Титан - 300—600 мкг. Германий - 1500 мкг. Медь - 1-5 мг. Марганец - 5-10 мг. Молибден - 200 мкг. Бор. - 3 мг. Олово - 7 мкг. Фтор - 2-3 мкг. Кремний - 30 мг. . Вода – обязательный компонент живых клеток. Особенности строения воды Связь молекулы воды с 4 другими молекулами воды Физические свойства воды и их значение для биологических процессов Физическое свойство значение Сочетаниевысокой теплоемкости (благодаря наличию водородных связей между молекулами) и высокой теплопроводности (из-за небольших размеров самих молекул) Идеальная жидкость для Транспирация у растений, поддержания теплового потоотделение у равновесия – большое млекопитающих кол-во воды в клетках придает организму термостабильность, кроме того, указанные физ. свойства дают возможность значительно охладиться при минимальной потере воды. Круговорот воды в природе является одним из элементов формирования погоды, климата в целом. примеры Периодическое выпадение осадков. Исторически сложившиеся условия увлажнения в различных природных зонах. Физические свойство значение примеры Прозрачность в видимом участке спектра Возможность фотосинтеза на небольшой глубине, а следовательно возможность существования связанных с ним пищевых цепей Высокопродуктивные биоценозы прудов, озер, рек, морского шельфа Практически полная несжимаемость (благодаря силам межмолекулярного сцепления) Поддержание формы организма Тургорное давление придает форму сочным органам и тканям растений; у травянистых растений обеспечивает положение в пространстве; гидростатический скелет (круглые черви, медузы); амниотическая жидкость поддерживает и защищает плод у млекопитающих. Физические свойства значение примеры Подвижность молекул (вследствие слабости водородных связей) Возможность осмоса Поступление воды из почвы; плазмолиз Вязкость (благодаря наличию водородных связей) Смазывающие свойства Синовиальная жидкость является «смазкой « в суставах позвоночных; плевральная жидкость уменьшает трение между грудной клеткой и легкими во время дыхания Хороший растворитель (благодаря полярности молекул) Самый распространенный в природе растворитель; среда для протекания многих химических реакций в организме. Кровь, тканевая жидкость, лимфа, желудочный сок - у животных; клеточный сок у растений; организмы, живущие в водной среде, используют кислород, растворенный в воде. Физические свойства значение примеры Способность образовывать гидратационную оболочку вокруг макромолекул (благодаря полярности молекул) Является дисперсионной средой в коллоидной системе цитоплазмы Гиалоплазма представляет собой коллоидный раствор белков, в котором макромолекулы белков окружены «чехлом» из определенным образом ориентированных молекул воды. Оптимальное для биологических систем значение силы поверхностного натяжения (определяется силами межмолекулярного сцепления) Водные растворы являются средством передвижения веществ в организме. Капиллярный кровоток; восходящий и нисходящий токи растворов в растении Физические свойства значение примеры Расширение при замерзании ( благодаря образованию каждой молекулой максимального числа – четырехводородных связей) Лед легче воды, он образуется на поверхности водоемов и выполняет функцию теплоизоляции – защищает от холода находящиеся в воде организмы Сохранение зимой биоценозов замерзающих озер, прудов, рек 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. 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.