Впервые химические вещества классифицировал в конце IX столетия арабский ученый Абу Бакр ар-Рази. Он, опираясь на происхождение веществ, распределили их по трем группам. В первой группе он отвел место минеральным, во второй - растительным и в третьей - животным веществам.

Этой классификации было суждено просуществовать почти целое тысячелетие. Лишь в XIX веке из тех групп сформировали две - органические и неорганические вещества. Химические вещества обоих типов строятся благодаря девяноста элементам, внесенным в таблицу Д. И. Менделеева.

Группа неорганических веществ

Среди неорганических соединений различают простые и сложные вещества. Группа простых веществ объединяет металлы, неметаллы и благородные газы. Сложные вещества представлены оксидами, гидроксидами, кислотами и солями. Все неорганические вещества могут строиться из любых химических элементов.

Группа органических веществ

В состав всех органических соединений в обязательном порядке входит углерод и водород (в этом их принципиальное отличие от минеральных веществ). Вещества, образованные C и H называются углеводородами - простейшими органическими соединениями. В составе производных углеводородов находится азот и кислород. Они, в свою очередь, классифицированы на кислород- и азотсодержащие соединения.

Группа кислородсодержащих веществ представлена спиртами и эфирами, альдегидами и кетонами, карбоновыми кислотами, жирами, восками и углеводами. К азотсодержащим соединениям причислены амины, аминокислоты, нитросоединения и белки. У гетероциклических веществ положение двояко - они, в зависимости от строения, могут относиться и к тому и к другому виду углеводородов.

Химические вещества клетки

Существование клеток возможно, если в их состав входят органические и неорганические вещества. Они погибают, когда в них отсутствует вода, минеральные соли. Клетки умирают, если сильно обеднены нуклеиновыми кислотами, жирами, углеводами и белками.

Они способны к нормальной жизнедеятельности, если в них находится несколько тысяч соединений органической и неорганической природы, способных вступать во множество различных химических реакций. Биохимические процессы, текущие в клетке - основа ее жизнедеятельности, нормального развития и функционирования.

Химические элементы, насыщающие клетку

Клетки живых систем содержат группы химических элементов. Они обогащены макро-, микро- и ультрамикроэлементами.

• Макроэлементы, прежде всего, представлены углеродом, водородом, кислородом и азотом. Эти неорганические вещества клетки образуют практически все ее органические соединения. А еще к ним причислены жизненно необходимые элементы. Клетка не способна жить и развиваться без кальция, фосфора, серы, калия, хлора, натрия, магния и железа.
• Группа микроэлементов образована цинком, хромом, кобальтом и медью.
• Ультрамикроэлементы - еще одна группа, представляющая важнейшие неорганические вещества клетки. Группа сформирована золотом и серебром, оказывающим бактерицидное действие, ртутью, препятствующей обратному всасыванию воды, заполняющей почечные канальцы, оказывающей влияние на ферменты. В нее же включена платина и цезий. Определенную роль в ней отводят селену, дефицит которого ведет к различным видам рака.

Вода в составе клетки

Важность воды, распространенного на земле вещества для жизни клетки, неоспорима. В ней растворяются многие органические и неорганические вещества. Вода - та благодатная среда, где протекает невероятное количество химических реакций. Она способна растворять продукты распада и обмена. Благодаря ей клетку покидают шлаки и токсины.

Эта жидкость наделена высокой теплопроводностью. Это позволяет теплу равномерно распространяться по тканям тела. У нее существенная теплоемкость (способность поглощать теплоту, когда собственная температура изменяется минимально). Такая способность не позволяет возникать в клетке резким перепадам температур.

Вода обладает исключительно высоким поверхностным натяжением. Благодаря ему растворенные неорганические вещества, как и органические, без труда передвигаются по тканям. Множество небольших организмов, используя особенность поверхностного натяжения, держатся на водной поверхности и свободно по ней скользят.

Тургор растительных клеток зависит от воды. С опорной функцией у определенных видов животных справляется именно вода, а не какие-нибудь другие неорганические вещества. Биология выявила и изучила животных с гидростатическими скелетами. К ним относятся представители иглокожих, круглых и кольчатых червей, медуз и актиний.

Насыщенность клеток водой

Работающие клетки заполнены водой на 80 % от их общего объема. Жидкость пребывает в них в свободной и связанной форме. Белковые молекулы прочно соединяются со связанной водой. Они, окруженные водной оболочкой, изолируются друг от дружки.

Молекулы воды полярны. Они образуют водородные связи. Благодаря водородным мостикам вода обладает высокой теплопроводностью. Связанная вода позволяет клеткам выдерживать пониженные температуры. На долю свободной воды приходится 95 %. Она способствует растворению веществ, вовлекаемых в клеточный обмен.

Высокоактивные клетки в тканях мозга содержат до 85 % воды. Мышечные клетки насыщены водой на 70 %. Менее активным клеткам, образующим жировую ткань, достаточно 40 % воды. Она в живых клетках не только растворяет неорганические химические вещества, она ключевой участник гидролиза органических соединений. Под ее воздействием органические вещества, расщепляясь, превращаются в промежуточные и конечные вещества.

Важность минеральных солей для клетки

Минеральные соли представлены в клетках катионами калия, натрия, кальция, магния и анионами HPO 4 2- , H 2 PO 4 - , Cl - , HCO 3 - . Правильные пропорции анионов и катионов создают необходимую для жизни клетки кислотность. Во многих клетках поддерживается слабощелочная среда, которая практически не меняется и обеспечивает их стабильное функционирование.

Концентрация катионов и анионов в клетках отлична от их соотношения в межклеточном пространстве. Причина тому - активная регуляция, направленная на транспортировку химических соединений. Такое течение процессов обуславливает постоянство химических составов в живых клетках. После гибели клеток концентрация химических соединений в межклеточном пространстве и цитоплазме обретает равновесие.

Неорганические вещества в химической организации клетки

В химическом составе живых клеток нет каких-либо особых элементов, характерных только для них. Это определяет единство химических составов живых и неживых объектов. Неорганические вещества в составе клетки играют огромную роль.

Сера и азот помогают формироваться белкам. Фосфор участвует в синтезе ДНК и РНК. Магний - важная составляющая ферментов и молекул хлорофилла. Медь необходима окислительным ферментам. Железо - центр молекулы гемоглобина, цинк входит в состав гормонов, вырабатываемых поджелудочной железой.

Важность неорганических соединений для клеток

Соединения азота преобразуют белки, аминокислоты, ДНК, РНК и АТФ. В растительных клетках ионы аммония и нитраты в процессе окислительно-восстановительных реакций превращаются в NH 2 , становятся участниками синтеза аминокислот. Живые организмы используют аминокислоты для формирования собственных белков, необходимых для строительства тел. После гибели организмов белки вливаются в круговорот веществ, при их распаде азот выделяется в свободной форме.

Неорганические вещества, в составе которых есть калий, играют роль «насоса». Благодаря «калиевому насосу» в клетки сквозь мембрану проникают вещества, в которых они остро нуждаются. Калиевые соединения приводят к активизации жизнедеятельности клеток, благодаря им проводятся возбуждения и импульсы. Концентрация ионов калия в клетках весьма высока в отличие от окружающей среды. Ионы калия после гибели живых организмов легко переходят в природное окружение.

Вещества, содержащие фосфор, способствуют формированию мембранных структур и тканей. В их присутствии образуются ферменты и нуклеиновые кислоты. Солями фосфора в той или иной степени насыщены различные слои почвы. Корневые выделения растений, растворяя фосфаты, усваивают их. Вслед за отмиранием организмов остатки фосфатов, подвергаются минерализации, превращаясь в соли.

Неорганические вещества, содержащие кальций, способствуют формированию межклеточного вещества и кристаллов в растительных клетках. Кальций из них проникает в кровь, регулируя процесс ее свертывания. Благодаря ему формируются кости, раковины, известковые скелеты, коралловые полипы у живых организмов. Клетки содержат ионы кальция и кристаллы его солей.

В состав клетки входит около 70 элементов Периодической системы элементов Менделеева, а 24 из них присутствуют во всех типах клеток. Все присутствующие в клетке элементы делятся, в зависимости от их содержания в клетке, на группы :

• макроэлементы – H, O, N, C,. Mg, Na, Ca, Fe, K, P, Cl, S;
• микроэлементы – В, Ni, Cu, Co, Zn, Mb и др.;
• ультрамикроэлементы – U, Ra, Au, Pb, Hg, Se и др.

• органогены (кислород, водород, углерод, азот),
• макроэлементы,
• микроэлементы.

В состав клетки входят молекулы неорганических и органических соединений.

Неорганические соединения клетки – вода и неорганические ионы.
Вода – важнейшее неорганическое вещество клетки. Все биохимические реакции происходят в водных растворах. Молекула воды имеет нелинейную пространственную структуру и обладает полярностью. Между отдельными молекулами воды образуются водородные связи, определяющие физические и химические свойства воды.

Неорганические ионы :
катионы K+, Na+, Ca2+ , Mg2+ и анионы Cl–, NO3- , PO4 2-, CO32-, НPO42-.

Разность между количеством катионов и анионов (Nа+ , К+ , Сl-) 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 7-4.
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.

Таблица. Роль макроэлементов на клеточном и организменном уровне организации.

Таблица.

Тематические задания

Часть А

А1. Полярностью воды обусловлена ее способность
1) проводить тепло
3) растворять хлорид натрия
2) поглощать тепло
4) растворять глицерин

А2 . Больным рахитом детям необходимо давать препараты, содержащие
1) железо
2) калий
3) кальций
4) цинк

А3 . Проведение нервного импульса обеспечивается ионами:
1) калия и натрия
2) фосфора и азота
3) железа и меди
4) кислорода и хлора

А4 . Слабые связи между молекулами воды в ее жидкой фазе называются:
1) ковалентными
2) гидрофобными
3) водородными
4) гидрофильными

А5 . В состав гемоглобина входит
1) фосфор
2) железо
3) сера
4) магний

А6 . Выберите группу химических элементов, обязательно входящую в состав белков
1) Na, K, O, S
2) N, P, C, Cl
3) C, S, Fe, O
4) C, H, O, N

А7 . Пациентам с гипофункцией щитовидной железы дают препараты, содержащие
1) йод
2) железо
3) фосфор
4) натрий

Часть В

В1 . Выберите функции воды в клетке
1) энергетическая
2) ферментативная
3) транспортная
4) строительная
5) смазывающая
6) терморегуляционная

В2 . Выберите только физические свойства воды
1) способность к диссоциации
2) гидролиз солей
3) плотность
4) теплопроводность
5) электропроводность
6) донорство электронов

Часть С

С1 . Какие физические свойства воды определяют ее биологическое значение?

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.

Урок № 2.

Тема урока : Неорганические вещества клетки.

Цель урока: углубить знания о неорганических веществах клетки.

Задачи урока:

Образовательные : Рассмотреть особенности строения молекул воды в связи с ее важнейшей ролью в жизнедеятельности клетки, раскрыть роль воды и минеральных солей в жизни живых организмов;

Развивающие : Продолжить развитие логического мышления учащихся, продолжить формирование умений работать с различными источниками информации;

Воспитательные : Продолжить формирование научного мировоззрения, воспитание биологически грамотной личности; становление и развитие нравственных и мировоззренческих устоев личности; продолжить формирование экологического сознания, воспитание любви к природе;

Оборудование : мультимедийное приложение к учебнику, проектор, компьютер, карточки с заданиями, схема "Элементы. Вещества клетки". Пробирки, химический стакан, лед, спиртовка, поваренную соль, этиловый спирт, сахарозу, растительное масло.

Основные понятия : диполь, гидрофильность, гидрофобность, катионы, анионы.

Тип урока : комбинированный

Методы обучения : репродуктивные, частично-поисковые, экспериментальные.

Обучающиеся должны:

Знать основные химические элементы и соединения входящие в состав клетки;

Уметь объяснять значение неорганических веществ в процессах жизнедеятельности.

Структура урока

1.Организационный момент

Приветствие, подготовка к работе.

В начале и в конце урока проводится психологическая разминка. Ее цель–определить эмоциональное состояние учащихся. Каждому учащемуся выдаётся табличка с шестью лицами – шкала для определения эмоционального состояния (рис. 1). Каждый ученик ставит галочку под той рожицей, чье выражение отражает его настроение.

2. Проверка знаний учащихся

Тест «Химический состав клетки» (Приложение)

3. Целеполагание и мотивация

«Вода! Ты не имеешь ни вкуса, ни цвета, ни запаха, тебя невозможно описать. Тобой наслаждается человек, не понимая, что ты есть на самом деле. Нельзя сказать, что ты необходима для жизни, ты - сама жизнь. Ты везде и всюду даешь ощущение блаженства, которое нельзя понять ни одним из наших органов чувств. Ты возвращаешь нам силу. Твое милосердие заставляет ожить высохшие источники нашего сердца. Ты - самое большое богатство в мире. Ты богатство, которое легко можно спугнуть, но ты даешь нам такое простое и драгоценное счастье», - этот восторженный гимн воде написал французский писатель и летчик Антуан де Сент-Экзюпери, которому пришлось испытать на себе муки жажды в раскаленной пустыне.

Этими замечательными словами мы начинаем урок, целью которого является расширить представление о воде - веществе, которое создало нашу планету.

1. Актуализация

Каково значение воды в жизни человека?

(Ответы учащихся о значение воды в жизни человека0

1. Изложение нового материала.

Вода - самое распространенное в живых организмах неорганическое вещество, обязательный ее компонент, среда обитания для многих организмов, главный растворитель клетки.

Строки стихотворения М.Дудника:

Говорят, что из восьмидесяти процентов воды состоит человек,

Из воды, добавлю, родных его рек,

Из воды, добавлю, дождей, что его напоили,

Из воды, добавлю, из древней воды родников,

Из которых деды и прадеды пили.

Примеры содержания воды в различных клетках организма:

В молодом организме человека или животного – 80% от массы клетки;

В клетках старого организма – 60%

В головном мозге – 85%;

В клетках эмали зубов – 10-15%.

При потере 20% воды у человека наступает смерть.

Рассмотрим строение молекулы воды:

Н2О – молекулярная формула,

Н–О–Н – структурная формула,

Молекула воды имеет угловое строение: представляет собой равнобедренный треугольник с углом при вершине 104,5°.

Молекулярная масса воды в парообразном состоянии равна 18 г/моль. Однако молекулярная масса жидкой воды оказывается более высокой. Это свидетельствует о том, что в жидкой воде происходит ассоциация молекул, вызванная водородными связями.

Какова же роль воды в клетке?

Из-за высокой полярности молекул вода является растворителем других полярных соединений, не имея себе равных. В воде растворяется больше веществ, чем в любой другой жидкости. Именно поэтому в водной среде клетки осуществляется множество химических реакций. Вода растворяет продукты обмена веществ и выводит их из клетки и организма в целом.

Вода обладает большой теплоемкостью, т.е. способностью поглощать теплоту. При минимальном изменении ее собственной температуры выделяется или поглощается значительное количество теплоты. Благодаря этому она предохраняет клетку от резких изменений температуры. Поскольку на испарение воды расходуется много теплоты, то, испаряя воду, организмы могут защищать себя от перегрева (например, при потоотделении).

Вода обладает высокой теплопроводностью. Такое свойство создает возможность равномерно распределять теплоту между тканями тела.

Вода является одним из основных веществ природы, без которого невозможно развитие органического мира растений, животных, человека. Там, где она есть, – есть жизнь.

Демонстрация опытов. Составление таблицы вместе с учащимися.

а) Растворить в воде следующие вещества: поваренную соль, этиловый спирт, сахарозу, растительное масло.

Почему одни вещества в воде растворяются, а другие – нет?

Даётся понятие гидрофильных и гидрофобных веществ.

Гидрофильные вещества - хорошо растворимые в воде вещества.

Гидрофобные вещества - плохо растворимые в воде вещества.

Б) Опустить кусочек льда в стакан с водой.

Что вы можете сказать о плотности воды и льда?

С помощью учебника в группах нужно заполнить таблицу "Минеральные соли". По окончании работы идет обсуждение занесенных в таблицу данных.

Буферность - способность клетки поддерживать относительное постоянство слабощелочной среды.

1. Закрепление изученного материала.

Решение биологических задач в группах.

Задача 1.

При некоторых заболеваниях в кровь вводят 0,85-процентный раствор поваренной соли, называемый физиологическим раствором. Вычислите: а) сколько граммов воды и соли нужно взять для получения 5 кг физиологического раствора; б) сколько граммов соли вводится в организм при вливании 400 г физиологического раствора.

Задача 2.

В медицинской практике для промывания ран и полоскания горла применяется 0,5-процентный раствор перманганата калия. Какой объем насыщенного раствора (содержащего 6,4 г этой соли в 100 г воды) и чистой воды необходимо взять для приготовления 1 л 0,5-процентного раствора (ρ = 1 г/см 3 ).

Задание.

Написать синквейн тема: вода

1. Домашнее задание: п. 2.3

Найти в литературных произведениях примеры описания свойств и качеств воды, ее биологического значения.

Схема "Элементы. Вещества клетки"

Опорный конспект к уроку

Клеткой называют элементарную единицу строения живых организмов. Все живые существа - будь то люди, животные, растения, грибы или бактерии - в своей основе имеют клетку. В чьем-то организме этих клеток много - сотни тысяч клеток составляют тело млекопитающих и рептилий, а в чьем-то мало - многие бактерии состоят из всего одной клетки. Но не так важно количество клеток, как их наличие.

Давно известно, что клетки обладают всеми свойствами живого: они дышат, питаются, размножаются, приспосабливаются к новым условиям, даже умирают. И, как и у всего живого, в составе клеток есть органические и неорганические вещества.

Намного больше, ведь - это и вода, и Разумеется, наибольшая часть отдела под названием "неорганические вещества клетки" отводится воде - она составляет 40-98% от всего объема клетки.

Вода в клетке выполняет множество важнейших функций: она обеспечивает упругость клетки, быстроту проходящих в ней химических реакций, перемещение поступивших веществ по клетке и их вывод. Кроме того, в воде растворяются многие вещества, она может участвовать в химических реакциях и именно на воде лежит ответственность за терморегуляцию всего организма, так как вода обладает неплохой теплопроводностью.

Помимо воды, в неорганические вещества клетки входят и многие минеральные вещества, делящиеся на макроэлементы и микроэлементы.

К макроэлементам относятся такие вещества, как железо, азот, калий, магний, натрий, сера, углерод, фосфор, кальций и многие другие.

Микроэлементы - это, в большинстве своем, тяжелые металлы, такие как бор, марганец, бром, медь, молибден, йод и цинк.

Также в организме есть и ультрамикроэлементы, среди которых золото, уран, ртуть, радий, селен и другие.

Все неорганические вещества клетки играют собственную, важную роль. Так, азот участвует в великом множестве соединений - как белковых, так и небелковых, способствует образованию витаминов, аминокислот, пигментов.

Кальций представляет собой антагонист калия, служит клеем для растительных клеток.

Железо участвует в процессе дыхания, входит в состав молекул гемоглобина.

Медь отвечает за образование клеток крови, здоровье сердца и хороший аппетит.

Бор отвечает за процесс роста, в особенности у растений.

Калий обеспечивает коллоидные свойства цитоплазмы, образование белков и нормальную работу сердца.

Натрий также обеспечивает правильный ритм сердечной деятельности.

Сера участвует в образовании некоторых аминокислот.

Фосфор участвует в образовании огромного количества незаменимых соединений, таких, как нуклеотиды, некоторые ферменты, АМФ, АТФ, АДФ.

И только роль ультрамикроэлементов пока абсолютно неизвестна.

Но одни только неорганические вещества клетки не смогли бы сделать ее полноценной и живой. Органические вещества важны не менее, чем они.

К относятся углеводы, липиды, ферменты, пигменты, витамины и гормоны.

Углеводы делятся на моносахариды, дисахариды, полисахариды и олигосахариды. Моно- ди- и полисахариды являются основным источником энергии для клетки и организма, а вот нерастворяющиеся в воде олигосахариды склеивают соединительную ткань и защищают клетки от неблагоприятного внешнего воздействия.

Липиды делятся на собственно жиры и липоиды - жироподобные вещества, образующие ориентированные молекулярные слои.

Ферменты являются катализаторами, ускоряющими биохимические процессы в организме. Кроме того, ферменты уменьшают количество потребляемой на придание реакционной способности молекуле энергии.

Витамины необходимы для регуляции окисляемости аминокислот и углеводов, а также для полноценного роста и развития.

Гормоны необходимы для регулирования жизнедеятельности организма.