НЕОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ - ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ КЛЕТКИ - КЛЕТКА — ЕДИНИЦА ЖИВОГО

Материал главы формирует знания о химическом составе клетки, значении для клетки неорганических и органических соединений. Изучаются важнейшие группы органических соединений — углеводы, липиды, белки, нуклеиновые кислоты и низкомолекулярные органические вещества. Дается характеристика важнейшим свойствам и функциям этих веществ.

Распределение материала по урокам:

1-й урок. Неорганические соединения.

2-й урок. Биополимеры. Углеводы, липиды.

3-й урок. Биополимеры. Строение белков.

4-й урок. Биополимеры. Свойства и функции белков.

5-й урок. Биополимеры. Нуклеиновые кислоты. ДНК.

6-й урок. Биополимеры. РНК, АТФ.

7-й урок. Зачет.

Урок 1. НЕОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ

Задачи. На вводной части урока важно рассмотреть многообразие живых организмов и их классификацию, сформировать знания о важнейших свойствах, характерных для живых организмов, уровнях организации живой материи, методах изучения, используемых в биологии. Дать характеристику химическому составу клетки: группам элементов, входящих в состав клетки; раскрыть свойства и значение воды, роль важнейших катионов и анионов в клетке.

Оборудование. Демонстрационный материал: таблицы по общей биологии, кодограмма (приложение 1).

Ход урока:

Изучение нового материала. Объяснение с помощью таблиц, кодограммы (приложение 1).

Введение. Биология - наука о жизни. Изучение многообразия живых организмов, закономерностей их строения, жизнедеятельности, индивидуального развития и эволюции, взаимоотношения со средой обитания — важнейшие задачи биологии.

Все живые организмы на Земле делятся на две империи — империя Доклеточные и империя Клеточные. К доклеточным организмам относятся вирусы, объединенные в царство Вирусы. Империя Клеточные объединяет организмы, имеющие клеточное строение. Наиболее древние представители клеточных, не имеющие ядра, объединяются в надцарство Прокариот (доядерных), царство Дробянок. Среди них выделяют три подцарства: Архебактерии — наиболее древние анаэробные бактерии, Эубактерии и Оксифотобактерии (сине-зеленые). Считается, что именно древние архебактерии вступили в симбиоз с сине-зелеными и бактериями окислителями, в клетке обособилось ядро, так появились ядерные организмы, которые объединены в надцарство Эукариоты, царства Растения, Животные и Грибы.

Живые организмы приобретают качественные особенности, отличающие их от неживой природы. С другой стороны, эти отличия достаточно условны, поэтому для характеристики живого организма нужно рассматривать все его признаки.

1. Важнейший признак живого организма — способность к размножению, способность, к передаче генетической информации следующему поколению. При бесполом размножении следующее поколение получает генетическую информацию от материнского организма, при половом — происходит объединение генетической информации двух организмов.

2. Живой организм является открытой системой, в него поступают питательные вещества, он использует различные виды энергии — энергию света, энергию, выделяющуюся при окислении органических и неорганических веществ, выделяет в окружающую среду продукты обмена веществ и энергию. Другими словами, между организмом и средой обитания происходит постоянный обмен веществ и энергии.

3. Клетки живых организмов образованы различными биополимерами, важнейшими из которых являются нуклеиновые кислоты и белки. Но мертвая лошадь также состоит из биополимеров, поэтому важно подчеркнуть их постоянное самообновление.

4. Пока организм жив, он воспринимает воздействия окружающей среды, под влиянием раздражителя происходит возбуждение и развивается ответная реакция на возбуждение. Возбудимость — важнейшее свойство организма.

5. В результате естественного отбора организмы удивительным образом адаптировались к конкретным условиям обитания. Эта адаптация началась с эволюции на уровне молекул, затем на уровне органоидов клетки — на клеточном уровне, затем на уровне многоклеточного организма.

6. Для живых организмов характерна высокая степень организации, которая проявляется в сложном строении биологических молекул, органоидов, клеток, органов, их специализации к выполнению определенных функций.

7. Также к признакам живых организмов относятся рост, старение и смерть.

Различают несколько уровней организации жизни на Земле:

1. Молекулярный, на котором изучаются органические и неорганические молекулы, их строение и функции в организме.

2. Клеточный, клетка — необычайно сложная система взаимодействующих органоидов, каждый из которых приспособлен к выполнению определенных функций и является частью целостной структуры — клетки.

3. У низших многоклеточных организмов происходит специализация клеток, образуются ткани — тканевой уровень.

4. На следующем уровне — органном — происходит образование сложно устроенных органов, которые специализируются на определенных функциях и совместно формируют системы органов.

5. На организменном уровне мы имеем дело с целостным организмом, у одноклеточных организмов это одна клетка, у многоклеточных — множество клеток, которые подчиняются различным системам регуляции.

6. Организмы объединяются в популяции, популяции — в виды, формируется популяционно-видовой уровень, обеспечивающий сложные внутривидовые взаимоотношения.

7. Но любая популяция приспособлена к определенным факторам неживой природы, взаимодействует с популяциями других живых организмов, это уже биогеоценотический уровень.

8. Высшим уровнем организации жизни на Земле является биосферный, объединяющий все биогеоценозы Земли в единую живую оболочку земли — биосферу.

Характеристика неорганических соединений клетки. Все клетки, независимо от уровня организации, сходны по химическому составу. В клетке содержится несколько тысяч веществ, которые участвуют в разнообразных химических реакциях.

В живых организмах обнаружено около 80 химических элементов периодической системы Д. И. Менделеева

По количественному содержанию в живом веществе элементы делятся на три категории.

Макроэлементы (О, С, Н, N; К, Na, Са, Mg, S, Р, Cl, Fe) К макроэлементам относят элементы, концентрация которых превышает 0,001%. Они составляют основную массу живого вещества клетки (около 99%). Особенно высока концентрация С, N, Н, О (98% всех макроэлементов).

Микроэлементы (Zn, Мn, Сu, Со, Мо и многие другие), доля которых составляет от 0,001% до 0,000001 % (1,9% массы клетки). Микроэлементы входят в состав биологически активных веществ — ферментов, витаминов и гормонов.

Ультрамикроэлементы (Аu, U, Ra и др.), концентрация которых не превышает 0,000001%. Роль большинства элементов этой группы до сих пор не выяснена.

Макро- и микроэлементы присутствуют в живой материи в виде разнообразных химических соединений, которые подразделяются на неорганические и органические вещества.

К неорганическим веществам относятся:

— вода, составляющая примерно 70—80% массы организма;

— минеральные вещества — 1—1,5%.

Вода. Самое распространенное в живых организмах неорганическое соединение. Ее содержание колеблется в широких пределах: в клетках эмали зубов вода составляет по массе около 10%, а в клетках развивающегося зародыша — более 90%.

Без воды жизнь невозможна. Она не только обязательный компонент живых клеток, но и среда обитания организмов. 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 частичный отрицательный заряд, а два водородных — частично положительные заряды. Это делает молекулу воды диполем. Поэтому при взаимодействии молекул воды между ними устанавливаются водородные связи. Они в 15—20 раз слабее ковалентной, но поскольку каждая молекула воды способна образовывать 4 водородные связи, они существенно влияют на физические 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. Наконец, вода —вещество, плотность которого в жидком состоянии больше, чем в твердом, при 4 °С 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 неионных 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. 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.

Благодаря большой теплоте испарения 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.).

Вода определяет напряженное состояние клеточных стенок (тургор), а также выполняет опорную функцию (гидростатический скелет, например, у круглых червей)

Минеральные вещества клетки. В основном представлены солями, которые диссоциируют на анионы и катионы

Для процессов жизнедеятельности клетки наиболее важны катионы К+, Na+, Са2+, Mg2+, анионы НРO42-, Сl-, НСО3-. Концентрации ионов в клетке и среде ее обитания различны Например, во внешней среде (плазме крови, морской воде) К- всегда меньше, a Na+ всегда больше, чем в клетке. Существует ряд механизмов, позволяющих клетке поддерживать определенное соотношение ионов в протопласте и внешней среде.

Различные ионы принимают участие во многих процессах жизнедеятельности клетки: катионы К+, Na+, Сl- обеспечивают возбудимость живых организмов; катионы Mg2+, Mn2+, Zn2+, Са2+ и др. необходимы для нормального функционирования многих ферментов; образование углеводов в процессе фотосинтеза невозможно без Mg2+ (составная часть хлорофилла): буферные свойства клетки (поддержание слабощелочной реакции содержимого клетки) поддерживаются анионами слабых кислот (НСО3-, НРО4-) и слабыми кислотами (Н2СO3).

Фосфатная буферная система:

Бикарбонатная буферная система:

Некоторые неорганические вещества содержатся в клетке не только в растворенном, но и в твердом состоянии. Например, Са и Р содержатся в костной ткани, в раковинах моллюсков в виде двойных углекислых и фосфорнокислых солей.

Закрепление. Беседа. Работа учащихся с тетрадью и кодограммой.

Задание на дом. Изучить текст введения, параграфа, ответить на вопросы.

Приложение 1. Кодограмма к уроку

Тема: Неорганические соединения клетки. Введение, § 1

Признаки и уровни организации жизни

— Многообразие:

Империя Доклеточные: Царство Вирусы.

Империя Клеточные:

Надцарство Прокариоты: архебактерии, эубактерии, сине-зеленые;

Надцарство Эукариоты: Царства Растений, Животных, Грибов.

— Признаки живых организмов: 1) размножение; 2) обмен веществ и энергии; 3) возбудимость; 4) важнейшие биополимеры — НК и белки; 5) адаптированность в результате эволюции; 6) специализация от молекул до органов и высокая степень организации.

— Уровни организации: 1) молекулярный; 2) клеточный; 3) тканевой; 4) органный; 5) организменный; 6) популяционно-видовой; 7) биогеоценотический; 8) биосферный.

— Методы: наблюдение, сравнение, эксперимент.

Химические элементы и соединения клетки

Элементы. В клетках более 80 элементов, для 24 известны функции, которые они выполняют, это биогенные элементы.

I группа (98% от массы) — О, С, Н, N.

II группа (1,9%) — К, Na, Са, Mg, S, Р, Cl, Fe.

III группа — микроэлементы (иод, медь, цинк ...).

I и II группы — макроэлементы.

Химические соединения:

Неорганические — вода, соли

Органические

Характеристика воды:

1. Основа внутренней и внутриклеточной среды.

2. Вода — растворитель для полярных, гидрофильных веществ: ионных соединений — солей; сахаров и спиртов, имеющих ОН-группы. Гидратирует полярные молекулы. Гидрофобные вещества — нерастворимые в воде.

3. Выполняет транспортную функцию у животных (?), у растений (?).

4. Вода — реагент. Участвует в реакциях гидролиза, а также как метаболит (реакции фотосинтеза).

5. Участвует в терморегуляции, т. к. испарение сопровождается охлаждением.

6. Большая теплоемкость и высокая теплопроводность сглаживают резкие колебания t° внешней среды. Максимальная плотность при +4 °С.

Значение солей:

Важнейшие катионы: K+, Na+, Са2+, Мg2+????

На внутренней поверхности мембраны клеток всегда меньше натрия и больше калия, отвечающих за возбудимость.

Важнейшие анионы: Н2РO4-, Сl-, НСO3-. Обеспечивают буферные свойства внутренней среды. Буферность — способность поддерживать определенную концентрацию водородных ионов.

Фосфатная буферная система: