Из неорганических веществ клетки вода составляет около 65% ее массы: в молодых быстрорастущих клетках до 95%, в старых - около 60%. Роль воды в клетках очень велика, она является средой и растворителем, участвует в большинстве химических реакций, перемещении веществ, терморегуляции, образовании клеточных структур, определяет объем и упругость клетки. Большинство веществ поступает в организм и выводится из него в водном растворе.
Органические вещества - составляют 20-30% состава клетки. Они могут быть простыми (аминокислоты, глюкоза, жирные кислоты) и сложными (белки, полисахариды, нуклеиновые кислоты, липиды). Наиболее важное значение имеют белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты.
Белки - это основные и наиболее сложные вещества любой клетки. По размерам белковая молекула в сотни и тысячи раз превосходит молекулы неорганических соединений. Белковые молекулы образуются из простых соединений — аминокислот (в естественных белках содержится 20 аминокислот). Объединяясь в различной последовательности и количестве, они образуют большое разнообразие (до 1000) белков. Их роль в жизни клетки огромна: строительный материал организма, катализаторы (белки-ферменты ускоряют химические реакции), транспорт (гемоглобин крови доставляет клеткам кислород и питательные вещества и уносит углекислый газ и продукты распада). Белки выполняют защитную функцию, энергетическую. Углеводы - органические вещества, состоящие из углерода, водорода и кислорода. Наиболее простые из них моносахариды - гексоза, фруктоза, глюкоза (содержатся в фруктах, меде), галактоза (в молоке) и полисахариды - состоящие из нескольких простых углеводов. Сюда относятся крахмал, гликоген. Углеводы - основной источник энергии для всех форм клеточной активности (движение, биосинтез, секреция и т. д.) и играют роль запасных веществ. Липиды - нерастворимые в воде жиры и жироподобные вещества. Они являются основным структурным компонентом биологических мембран. Липиды выполняют энергетическую функцию, в них содержатся жирорастворимые витамины. Нуклеиновые кислоты - (от латинского слова «нуклеус» - ядро) - образуются в ядре клетки. Они бывают двух типов: дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК) и рибонуклеиновые кислоты (РНК). Биологическая роль их очень велика. Они определяют синтез белков и передачу наследственной информации.
Клетка
С точки зрения концепции живых систем по А. Ленинджеру.
Живая клетка – это способная к саморегуляции и самовоспроизведению изотермическая система органических молекул, извлекающая энергию и ресурсы из окружающей среды.
В клетке протекает большое количество последовательных реакций, скорость которых регулируется самой клеткой.
Клетка поддерживает себя в стационарном динамическом состоянии, далеком от равновесия с окружающей средой.
Клетки функционируют по принципу минимального расхода компонентов и процессов.
Т.о. клетка – элементарная живая открытая система, способная к самостоятельному существованию, воспроизведению и развитию. Она является элементарной структурно-функциональной единицей всех живых организмов.
Химический состав клеток.
Из 110 элементов периодической системы Менделеева в организме человека обнаружено 86 постоянно присутствующих. 25 из них необходимы для нормальной жизнедеятельности, причем 18 из них необходимы абсолютно, а 7 - полезны. В соответствии с процентным содержанием в клетке химические элементы делят на три группы:
Макроэлементы Основные элементы (органогены) – водород, углерод, кислород, азот. Их концентрация: 98 – 99,9 %. Они являются универсальными компонентами органических соединений клетки.
Микроэлементы – натрий, магний, фосфор, сера, хлор, калий, кальций, железо. Их концентрация 0,1%.
Ультрамикроэлементы – бор, кремний, ванадий, марганец, кобальт, медь, цинк, молибден, селен, йод, бром, фтор. Они влияют на обмен веществ. Их отсутствие является причиной заболеваний (цинк - сахарный диабет, иод - эндемический зоб, железо - злокачественная анемия и т.д.).
Современной медицине известны факты отрицательного взаимодействия витаминов и минералов:
Цинк снижает усвоение меди и конкурирует за усвоение с железом и кальцием; (а дефицит цинка вызывает ослабление иммунной системы, ряд патологических состояний со стороны желез внутренней секреции).
Кальций и железо снижают усвоение марганца;
Витамин Е плохо совмещается с железом, а витамин С – с витаминами группы В.
Положительное взаимовлияние:
Витамин Е и селен, а также кальций и витамин К действуют синергично;
Для усвоения кальция необходим витамин Д;
Медь способствует усвоению и повышает эффективность использования железа в организме.
Неорганические компоненты клетки.
Вода – важнейшая составная часть клетки, универсальная дисперсионная среда живой материи. Активные клетки наземных организмов состоят на 60 – 95% из воды. В покоящихся клетках и тканях (семена, споры) воды 10 - 20%. Вода в клетке находится в двух формах – свободной и связанной с клеточными коллоидами. Свободная вода является растворителем и дисперсионной средой коллоидной системы протоплазмы. Ее 95%. Связанная вода (4 – 5 %) всей воды клетки образует непрочные водородные и гидроксильные связи с белками.
Свойства воды:
Вода – естественный растворитель для минеральных ионов и других веществ.
Вода – дисперсионная фаза коллоидной системы протоплазмы.
Вода является средой для реакций метаболизма клетки, т.к. физиологические процессы происходят в исключительно водной среде. Обеспечивает реакции гидролиза, гидратации, набухания.
Участвует во многих ферментативных реакциях клетки и образуется в процессе обмена веществ.
Вода – источник ионов водорода при фотосинтезе у растений.
Биологическое значение воды:
Большинство биохимических реакций идет только в водном растворе, многие вещества поступают и выводятся из клеток в растворенном виде. Это характеризует транспортную функцию воды.
Вода обеспечивает реакции гидролиза – расщепление белков, жиров, углеводов под действием воды.
Благодаря большой теплоте испарения происходит охлаждение организма. Например, потоотделение у человека или транспирация у растений.
Большая теплоемкость и теплопроводность воды способствует равномерному распределению тепла в клетке.
Благодаря силам адгезии (вода – почва) и когезии (вода – вода) вода обладает свойством капиллярности.
Несжимаемость воды определяет напряженное состояние клеточных стенок (тургор), гидростатический скелет у круглых червей.
Химический состав клеток растений и животных весьма сходен, что говорит о единстве их происхождения. В клетках обнаружено более 80 химических элементов.
Химические элементы, имеющиеся в клетке, делят на 3 большие группы : макроэлементы , мезоэлементы, микроэлементы .
К макроэлементы относятся углерод, кислород, водород и азот. Мезоэлементы - это сера, фосфор, калий, кальций, железо. Микроэлементы - цинк, йод, медь, марганец и другие.
Биологически важные химические элементы клетки:
Азот - структурный компонент белков и НК.
Водород - входит в состав воды и всех биологических соединений.
Магний - активирует работу многих ферментов; структурный компонент хлорофилла.
Кальций - основной компонент костей и зубов.
Железо - входит в гемоглобин.
Йод - входит в состав гормона щитовидной железы.
Вещества клетки делят на органические (белки, нуклеиновые кислоты, липиды, углеводы, АТФ) и неорганические (вода и минеральные соли).
Вода составляет до 80% массы клетки, играет важную роль :
· вода в клетке является растворителем
· переносит питательные вещества;
· с водой происходит удаление из организма вредных веществ;
· большая теплоемкость воды;
· испарение воды способствует охлаждению животных и растений.
· придает клетке упругость.
Минеральные вещества :
· участвуют в поддержании гомеостаза, регулируя поступление воды в клетку;
· калий и натрий обеспечивают перенос веществ через мембрану и участвуют в возникновении и проведении нервного импульса.
· минеральные соли, в первую очередь, фосфаты и карбонаты кальция, придают твердость костной ткани.
Решить задачу на генетику крови человека
Белки, их роль в организме
Белок - органические вещества, встречающие во всех клетках, которые состоят из мономеров.
Белок - высокомолекулярный непериодический полимер.
Мономером является аминокислота (20).
Аминокислоты содержат аминогруппу, карбоксильную группу и радикал. Соединяются аминокислоты между собой с образованием пептидной связи. Белки чрезвычайно разнообразны, например, в организме человека их свыше 10 млн.
Разнообразие белков зависит от:
1. разной последовательности АК
2. от размера
3. от состава
Структуры белка
Первичная структура белка - последовательность аминокислот, соединенных пептидной связью (линейная структура).
Вторичная структура белка - спиралевидная структура.
Третичная структура белка - глобула (клубочковидная структура).
Четвертичная структура белка - состоит из нескольких глобул. Характерна для гемоглобина и хлорофилла.
Свойства белков
1. Комплементарность: способность белка по форме подходить к какому-нибудь другому веществу как ключ к замку.
2. Денатурация : нарушение естественной структуры белка (температура, кислотность, соленость, присоединение других веществ и т.п.). Примеры денатурации: изменение свойств белка при варке яиц, переход белка из жидкого состояния в твердое.
3. Ренатурация - восстановление структуры белка, если не была нарушена первичная структура.
Функции белка
1. Строительная: образование всех клеточных мембран
2. Каталитическая: белки - катализаторы; ускоряют химические реакции
3. Двигательная: актин и миозин входят в состав мышечных волокон.
4. Транспортная: перенос веществ к различным тканям и органам тела (гемоглобин - белок, входит в состав эритроцитов)
5. Защитная: антитела, фибриноген, тромбин -- белки, участвующие в выработке иммунитета и свертывании крови;
6. Энергетическая: участвуют в реакциях пластического обмена для построения новых белков.
7. Регуляторная: роль гормона инсулина в регуляции содержания сахара в крови.
8. Запасающая: накопление белков в организме в качестве запасных питательных веществ, например в яйце, молоке, семенах растений.
В клетках содержатся неорганические и органические вещества (соединения).
Неорганические вещества клетки - это вода, различные минеральные соли, углекислый газ, кислоты и основания.
| Неорганические вещества клетки | |
|
Вода (составляет 70-80% массы клетки) |
Минеральные соли
(составляют 1-1,5% общей массы клетки) |
|
|
Вода является важнейшим компонентом содержимого живой клетки. Вода придает клетке упругость и объем, обеспечивает постоянство состава, участвует в химических реакциях и в построении органических молекул, делает возможным протекание всех процессов жизнедеятельности клетки. Вода является растворителем химических веществ, которые поступают в клетку и выводятся из нее.
Вода (оксид водорода, Н 2 O) — прозрачная жидкость, не имеющая цвета (в малом объёме), запаха и вкуса. В природных условиях содержит растворённые вещества (соли, газы). Вода имеет ключевое значение в жизни клеток и живых организмов, в формировании климата и погоды.
Количество воды в клетке составляет от 60 до 95% общей массы. Роль воды в клетке определяется её уникальными химическими и физическими свойствами, связанными с малыми размерами молекул, их полярностью и способностью образовывать водородные связи.
Вода как компонент биологических систем
- Вода — универсальный растворитель для полярных веществ — солей, сахаров, кислот и др. Она увеличивает их реакционную способность, поэтому большая часть химических реакций в клетке протекает в водных растворах.
- Неполярные вещества в воде нерастворимы (не происходит образования водородных связей). Притягиваясь друг к другу, гидрофобные вещества в присутствии воды образуют различные комплексы (например, биологические мембраны).
- Высокая удельная теплоёмкость воды (т. е. поглощение большого количества энергии для разрыва водородных связей) обеспечивает поддержание теплового баланса организма при перепадах температуры окружающей среды.
- Высокая теплота парообразования (способность молекул уносить с собой значительное количество тепла при охлаждении организма) предотвращает перегрев организма.
- Высокое поверхностное натяжение обеспечивает передвижение растворов по тканям.
- Вода обеспечивает выведение продуктов метаболизма.
- У растений вода поддерживает тургор клеток, у некоторых животных выполняет опорные функции (гидростатический скелет).
- Вода входит в состав различных биологических жидкостей (крови, слюны, слизи, желчи, слёз, спермы, синовиальной и плевральной жидкостей и др.).
Молекула воды имеет угловую форму: атомы водорода по отношению к кислороду образуют угол, равный приблизительно 104,5°.
Из-за высокой электроотрицательности атома кислорода связь О—H полярна. Атомы водорода несут частичный положительный заряд, а атом кислорода — частичный отрицательный.
Диполь создаёт вокруг себя магнитное поле на больших по сравнению с его размерами расстояниях.
При испарении воды разрушение водородных связей требует больших затрат энергии.
| Содержание воды в различных организмах и органах (в %) | |||
| Растения или части растений | Животные или органы животных | ||
| Водоросли | до 98 | Медузы | до 95 |
| Высшие растения | от 70 до 80 | Виноградные улитки | 80 |
| Листья деревьев | от 50 до 97 | Тело человека | 60 |
| Клубни картофеля | 75 | Кровь человека | 79 |
| Сочные плоды фруктов | до 95 | Мышцы человека | от 77 до 83 |
| Одревесневшие части растений | от 40 до 80 | Сердце человека | 70 |
| Сухие семена | от 5 до 9 | ||
Неорганические вещества в клетке, кроме воды, представлены минеральными солями .
Минеральные соли составляют всего 1-1,5% общей массы клетки, но роль их значительна. В растворенном виде они являются необходимой средой для химических процессов, обусловливающих жизнь клетки.
В клетках находится много разных солей . Животные с помощью выделительной системы удаляют из организма избыточные соли, а у растений они накапливаются и кристаллизуются в различных органоидах или в вакуолях. Чаще это бывают соли кальция. Их форма в клетках растений может быть различной: иглы, ромбы, кристаллики - одиночные или сросшиеся вместе (друзы).
Молекулы солей в водном растворе распадаются на катионы и анионы. Наибольшее значение имеют катионы (К + , Na + , Са 2+ , Mg + , NH 4 +) и анионы (Сl - , Н 2 Р0 4 - , НР0 4 2- , НС0 3 - , NO 3 - , SO 4 2-).
Концентрация различных ионов неодинакова в различных частях клетки, а также в клетке и окружающей среде. Концентрация ионов натрия всегда выше вне клетки, а ионов калия и магния — внутри клетки. Разность между количеством катионов и анионов внутри клетки и на её поверхности обеспечивает активный перенос веществ через мембрану.
От концентрации солей внутри клетки зависят буферные свойства цитоплазмы — способность клетки сохранять определенную концентрацию водородных ионов в условиях постоянного образования кислых и щелочных веществ при метаболизме.
Анионы фосфорной кислоты создают фосфатную буферную систему, поддерживающую рН внутриклеточной среды организма на уровне 6,9.
Угольная кислота и её анионы формируют бикарбонатную буферную систему, поддерживающую рН внеклеточной среды (плазма крови) на уровне 7,4.
Некоторые ионы участвуют в активации ферментов, создании осмотического давления в клетке, в процессах мышечного сокращения, свертывании крови и др. Ряд катионов и анионов необходим для синтеза важных органических веществ.
Неорганические вещества, входящие в состав клетки
Цель урока: изучить химический состав клетки, выявить роль неорганических веществ.
Задачи урока:
образовательная: показать многообразие химических элементов и соединений, входящих в состав живых организмов, значение их в процессе жизнедеятельности;
развивающая: продолжить формирование умений и навыков самостоятельной работы с учебником, умение выделять главное, формулировать выводы;
воспитательная: воспитывать ответственное отношение к выполнению полученных заданий.
Оборудование: мультимедийный проектор, презентация, раздаточный материал.
План урока
I. Организационный момент.
Приветствие; – подготовка аудитории к работе; – наличие учащихся.
II. Мотивация учебной деятельности.
– Перед вами набор слов: медь, белки, железо, углеводы, жиры, витамины, магний, золото, сера, кальций, фосфор.
– На какие две группы по своему значению можно поделить эти слова? Ответ поясните. (Органические и неорганические; химические вещества и химические элементы).
– Кто из вас может назвать роль тех или иных веществ, элементов в жизнедеятельности живых организмов?
– Поставьте перед собой цель и задачи нашего урока, исходя из названия темы.
III. Изложение нового материала.
Презентация. Презентация включает сразу 3 урока по данной теме. Начинаем работу с ключевого второго слайда: по гиперссылке переходим на нужный урок.
3-й слайд: беседа по схеме “Содержание химических элементов в теле человека”.:
– В состав клетки входит около 80 различных химических элементов, которые встречаются в объектах неживой природы. О чём это может говорить? (об общности живой и неживой природы). 27 элементов выполняют определенные функции, остальные попадают в организм с пищей, водой воздухом.
– Назовите, какие химические элементы и в каком количестве содержатся в теле человека?
– Все химические соединения, которые содержатся в живых организмах, делятся на группы.
– Пользуясь таблицей, составьте схему “Основные группы химических элементов в природе” (см. таблицу “Элементы, входящие в состав клеток живых организмов”, см таблица 1 ). Кислород, водород, углерод, азот, сера и фосфор являются необходимыми компонентами молекул биологических полимеров (белки, нуклеиновые кислоты), их часто называют биоэлементами.
Схема
Слайд 5: Начни заполнять таблицу – опорный конспект в тетради (данная таблица будет дополняться на последующих уроках, см таблицу 2 ).
– Из всех химических соединений, содержащихся в живых организмах, вода составляет 75 – 85 % от массы тела.
– В связи с чем необходимо такое количество воды? Какие функции выполняет вода в живом организме?
– Вы уже знаете, что строение и функции взаимосвязаны. Рассмотрим более подробно строение молекулы воды, чтобы выяснить, почему вода обладает такими свойствами. По ходу объяснения вы заполняете опорный конспект в тетради (см. слайд 5).
Слайды 6 – 7 демонстрируют особенности строения молекулы воды, её свойства.
– Из числа неорганических соединений, входящих в состав организмов, наибольшее значение имеют соли минеральных кислот и соответствующие катионы и анионы. Хотя потребность человека и животных в минеральных веществах выражается десятками и даже тысячными долями грамма, однако отсутствие в пище какого – либо из биологически важных элементов ведёт к тяжёлым заболеваниям.
– Заполните таблицу, графу “Минеральные соли”, используя материал учебника с.104 – 107. (Слайд 8, по гиперссылке перейдём на проверку выполненной работы).
– Приведите примеры, доказывающие роль минеральных солей в жизнедеятельности живых организмов.
IV. Закрепление нового материала:
несколько учащихся (сколько компьютеров в классе) выполняют интерактивный тест 1 “Неорганические вещества клетки”;
остальные выполняют задания на тренировку мышления и умения делать выводы (раздаточный материал):
Между первыми двумя терминами существует определённая связь. Между четвёртым и одним из приведённых ниже понятий существует такая же связь. Найдите его:
1. Йод: щитовидная железа = фтор: ___________________
а) Поджелудочная железа б) эмаль зубов в) нуклеиновая кислота г) надпочечники
2. Железо: гемоглобин = __________: хлорофилл:
а) кобальт б) медь в) йод г) магний
3. Выполняют цифровой диктант “Молекулы”. 1. Водородные связи – самые слабые связи в молекуле (1). 2. Структура и состав – это одно и то же (0). 3. Состав всегда определяет структуру (0). 4. Состав и структура молекулы определяют её свойства (1). 5. Полярностью молекул воды объясняется её свойство медленно нагреваться и остывать (0). 6. Атом кислорода в молекуле воды несёт положительный заряд. (0)
V. Итог урока.
– Выполнили ли вы поставленные перед собой цель и задачи урока? Что нового для себя вы открыли на этом уроке?
Литература:
Биология. 9 класс: поурочные планы по учебнику С.Г.Мамонтова, В.Б.Захарова, Н.И.Сонина / авт. – сост. М.М.Гуменюк. Волгоград: Учитель, 2006.
Лернер Г.И. Общая биология. Поурочные тесты и задания. 10 – 11 класс./ – М.: Аквариум, 1998.
Мамонтов С.Г., Захаров В.Б., Сонин Н.И. Биология. Общие закономерности. 9 кл.: Учеб. для общеобразоват. учеб. заведений. – М.: Дрофа, 2000.
CD Комплект цифровых образовательных ресурсов к учебнику Теремов А.В., Петросова Р.А., Никишов А.И. Биология. Общие закономерности жизни: 9 кл. гуманит изд. центр ВЛАДОС, 2003. ООО “Физикон”, 2007.