Главная страница «Первого сентября»Главная страница журнала «Химия»Содержание №40/2004

Я ИДУ НА УРОК

Неорганические вещества клетки

Интегрированный урок по химии и биологии 11 класс

 

Другого ничего в природе нет,
Ни здесь, ни там в космических глубинах:
Все – от песчинок малых до планет –
Из элементов состоит единых.

С.Щипачев

 

Цели. Способствовать развитию интереса к химической и биологической наукам, углубить знания учащихся о неорганических веществах клетки, раскрыть межпредметные связи.
Оборудование. Схемы «Строение эукариотической клетки», «Уровни организации живой материи», «Элементы. Вещества клетки», опорный конспект «Диссоциация воды. рН».

ХОД УРОКА

УЧИТЕЛЬ БИОЛОГИИ. Все живые организмы – это биологические системы, имеющие сходные черты строения и жизнедеятельности. У них единый генетический код, близкие химический состав, строение молекул и клеток, однотипное строение тела на одинаковых уровнях организации. Такое единство живых организмов дает возможность построить общую систему уровней организации живой материи от молекулярного до биосферного согласно схеме:
Из этой схемы видно, что низшей ступенью организации является клетка, она обладает всеми свойствами живого. Клетка осуществляет обмен веществ и энергией, растет, размножается и передает по наследству свои признаки. Она реагирует на внешние раздражители и способна двигаться. Поэтому мы сегодня снова говорим о клетке.
Давайте вспомним, как называется наука о клетке. Это цитология. Исследуя клетку как важнейшую структурную единицу живого, цитология занимает центральное положение в ряду биологических дисциплин; она тесно связана с гистологией, анатомией, физиологией и биохимией. Мы вводим новый термин, поэтому запишите его формулировку в тетрадях.

Клетки различной формы, выполняющие разные функции: 1 – клетки кишечника; 2 – бактерии; 3 – диатомовая водоросль; 4 – мышечная клетка; 5 – нервная клетка;


Клетки различной формы, выполняющие разные функции:
1 – клетки кишечника; 2 – бактерии;
3 – диатомовая водоросль; 4 – мышечная клетка; 5 – нервная клетка;
6 – инфузория; 7 – клетки лука; 8 – жгутиконосец

Биохимия – это наука, изучающая входящие в состав организмов химические вещества, их структуру, распределение, превращения и функции.
Биохимия связана с хозяйственной деятельностью человека и медициной. Принципиальное значение для развития биохимии имел первый синтез природного вещества – мочевины, подорвавший представление о «жизненной силе», якобы участвующей в синтезе организмов различных веществ. Используя достижения общей, аналитической и органической химии, биохимия в XIX в. сформировалась в самостоятельную науку. Здесь две науки – биология и химия – неразрывно связаны друг с другом.
Живой мир многообразен. Один из основоположников биохимии Макс Дельбрюк отметил: «Открытие деления и мутаций позволяет верить, что игра эволюции продолжается и разнообразие форм будет безгранично умножаться». Несмотря на многообразие форм, клетки разных типов обладают поразительным сходством в своих главных структурных особенностях.

УЧИТЕЛЬ ХИМИИ. Сущность живого – это целая цепь хорошо организованных химических реакций. Так, в живой клетке протекает бесчисленное множество превращений одних молекул в другие, что создает энергетическую и материальную основу всего живого. Химические процессы в живых системах очень хорошо организованы, строго сбалансированы, точно обусловлена пространственная и временная очередность событий.
Науке свойственно стремление к познанию первооснов окружающего нас мира. (Учитель вращает глобус.) Две трети поверхности Земли покрыто водами рек, озер, морей, океанов. Океаны, колыбель жизни на Земле, с точки зрения химика, представляют собой водный раствор множества химических веществ. «Именно в этом растворе впервые развились живые организмы, и из этого раствора они получали ионы и молекулы, необходимые для их роста и жизни… – пишет в одной из своих работ лауреат Нобелевской премии американский химик Лайнус Полинг и продолжает: – С течением времени живые организмы развивались и изменялись, что позволило им покинуть водную среду и перейти на сушу и затем подняться в воздух. Они приобрели эту способность, сохранив в своих организмах водный раствор в виде жидкой составляющей ткани, плазмы крови, межклеточной жидкости, содержащей необходимый запас ионов и молекул».
«Химия вокруг нас» – это часто встречающееся утверждение неточно. Химия не только вокруг нас, но и внутри нас. Вся вселенная построена из химических элементов, которые составляют периодическую систему химических элементов Д.И.Менделеева. Они одни и те же и на Земле, и в глубинах космоса. В состав живых клеток входят 24 химических элемента периодической системы Д.И.Менделеева. Это –
С, Н, О, N, Fe, Mg, K, Na, Ca, S и др.
Химические элементы, входящие в состав клетки, подразделяются на макроэлементы, микроэлементы и ультрамикроэлементы. Какую же роль они играют в клетке?

Устный журнал № 1. Элементы клетки

Макроэлементы

• О, С, Н, N входят в состав органических веществ клетки. Вместе с водой организма они составляют около 90%.
• Р входит в состав ДНК, АТФ, ферментов, костной ткани и эмали зубов, содержание его в организме 1%.
• Катион Ca2+ входит в состав оболочки клеток растений, костей и зубов у животных, также он участвует в процессе свертываемости крови. В организме бывает до 2,5% ионов кальция по массе.

Микроэлементы

• S* входит в состав белков, витаминов и ферментов, ее содержится
0,01–1%.
• Катионы K+ и Na+ участвуют в проведении нервного импульса, поддерживают осмотическое давление в клетке, стимулируют синтез гормонов, их содержание по 0,25%.
• Катион Mg2+ (0,1%) входит в состав молекулы хлорофилла. Он содержится в костях и зубах, активизирует синтез ДНК и энергетический обмен.
• Катион железа входит в состав гемоглобина, миоглобина, хрусталика и роговицы глаза, активизирует деятельность ферментов (0,07%).
• Анион Cl (0,2%) является компонентом желудочного сока, а анион
I (0,1%) – обязательным компонентом гормона тироксина (щитовидная железа).

Ультрамикроэлементы

Ультрамикроэлементы участвуют в процессах кроветворения, фотосинтеза, катализируют внутриклеточные окислительные процессы.
• Катионы меди и марганца повышают урожайность растений, активизируют процессы фотосинтеза и кроветворения.
• Анионы бора влияют на процессы роста растений.
• Анионы фтора входят в состав эмали зубов.

Учитель биологии по схеме «Элементы. Вещества клетки» (см. с. 27) рассказывает о неорганических и органических веществах, содержащихся в живой клетке. Подтверждением сказанного служит демонстрационный опыт.

Демонстрационный опыт «Сжигание муки в фарфоровой чашке»

Признаки реакции:

капельки воды (пары воды конденсируются на холодной стеклянной пластинке);
дым (сгорают органические вещества);
зола (неорганические вещества).
Учитель химии проводит беседу «Вещества живой клетки», пользуясь следующей схемой:

Вопрос. Как можно отличить органические вещества от неорганических?

УЧИТЕЛЬ БИОЛОГИИ. Вода – один из важнейших факторов внешней среды, от которого зависит здоровье людей.
Организм человека находится в состоянии постоянного обмена веществ с окружающей его средой. Различные неорганические и органические вещества непрерывно поступают в организм, претерпевают там многообразные превращения, а «отработанные», ненужные выводятся наружу, в окружающую среду.
Обмен веществ – один из главных признаков жизни. Существуют разные виды обмена веществ – углеводный, белковый, жировой и т.д. Обмен веществ включает в себя, конечно, и обмен воды. Совокупность процессов всасывания воды в желудке и кишечнике, распределение ее между тканями организма и выделение через почки, легкие, кожу – в этом и состоит сущность водного обмена.
Клетки и межклеточные вещества живых тканей представляют собой сложные системы, отдельные части которых содержат в качестве необходимого компонента воду. Почему же именно ее?
Вода – прекрасный растворитель для множества веществ живого организма, среда, в которой протекает большинство химических реакций, связанных с обменом веществ. При ее участии, с помощью водного обмена, происходит терморегуляция, т.е. регулируются процессы теплоотдачи и теплопродукции. С водой удаляются из организма ненужные ему продукты обмена, иногда микробы, их токсины и т.п.
Многие ученые считают, что человеческая жизнь, в известном смысле, представляет собой борьбу за воду. Почему же вода обладает такими свойствами? Это можно объяснить, исходя из строения молекулы воды.

УЧИТЕЛЬ ХИМИИ. Рассмотрим строение молекулы воды:
Н2О – молекулярная формула,
Н–О–Н – структурная формула,
электронная формула, характеризующая ковалентную полярную связь.

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.

УЧИТЕЛЬ БИОЛОГИИ. 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. А какова роль воды в человеческом организме?

 

Устный журнал № 2.
Роль воды в человеческом организме

В состав человеческого тела входит около 65% воды. Это значит, что во взрослом человеке, который в среднем весит 70 кг, примерно 46 кг приходится на воду. Особенно богаты ею ткани молодого организма: в теле трехмесячного человеческого плода – 95% воды, у новорожденного ребенка – 70% (многие ученые одной из причин старения считают понижение способности белков организма связывать большие количества жидкости). Вода входит в состав всех органов и тканей человека; даже такая плотная ткань, как кость, содержит около 20% воды, в печени, мышцах, мозге – 70–80%, в крови – около 80%.
Просачиваясь с растворенными в ней солями через органические «стенки», разделяющие ткани, вода течет от более слабого раствора к более крепкому, пока концентрации обоих растворов не сравняются. Этот процесс, называемый осмосом, играет существенную роль в жизни человеческого организма; с его помощью живые клетки получают необходимые им вещества. Поддерживая осмотическое давление, вода участвует и в минеральном обмене.
Человек чрезвычайно остро реагирует на нарушение водного баланса. Так, при утрате влаги в размере 6–8% от веса тела он впадает в полуобморочное состояние. Потеря 10% влаги вызывает нарушение глотательного рефлекса, затем начинаются галлюцинации, в конце концов останавливается сердце – оно оказывается не в состоянии проталкивать по сосудам сгустившуюся кровь. При потере организмом более 12% влаги наступает смерть.
В норме из организма выделяется в сутки 2,5 л воды: через почки – около 50%, через легкие – 13%, через кишечник – 5%, остальная часть воды (примерно 32%) выделяется через кожу. Однако эти соотношения могут резко изменяться. Так, при заболевании сахарным диабетом почки начинают выделять до 8–10 л воды в сутки. Интенсивная физическая работа, пребывание в горах увеличивают количество воды, уходящей через легкие. При работе в горячих цехах или в жаркую погоду масса воды, теряемой через кожу, может достигать 6–10 л. Во всех этих случаях вследствие обезвоживания организма человек испытывает чувство жажды. Было установлено, что общее количество выделяемой из организма взрослого человека воды в норме должно равняться количеству вводимой, т.е. в среднем 2,5 л. В этом случае соблюдается состояние водного равновесия, нормальный баланс воды.

УЧИТЕЛЬ БИОЛОГИИ. Конечно, о воде можно говорить много. Действительно, ее роль в любом живом организме огромна. Но помимо воды в числе неорганических веществ клетки нужно назвать и соли. Соли находятся либо в диссоциированном, либо в твердом состоянии. Концентрация катионов и анионов в клетке и в окружающей ее среде неодинакова. В клетке содержится довольно много калия и очень мало натрия. Во внеклеточной среде, например в плазме крови, в морской воде, наоборот, много натрия и мало калия. Раздражительность клетки зависит от соотношения концентраций ионов Na+, K+, Ca2+, Mg2+.
Ребята, на схеме представлены основные результаты первой части урока.

Схема "Элементы. Вещества клетки"

В тканях многоклеточных животных Са2+ входит в состав межклеточного вещества, обеспечивающего сцепленность клеток и упорядоченное их расположение. От концентрации солей зависят осмотическое давление в клетке и ее буферные свойства.
Буферностью называется способность клетки поддерживать слабощелочную реакцию ее содержимого на постоянном уровне.

Определение понятия учащиеся записывают в тетрадях.
УЧИТЕЛЬ ХИМИИ. Рассмотрим уравнения реакций, протекающих в буферных растворах. (На магнитной доске карточка – анион слабой угольной кислоты H2CO3.)
Если в клетке увеличивается концентрация Н+, то происходит присоединение катиона водорода к карбонат-аниону:

+ Н+ Н.

При увеличении концентрации гидроксид-анионов происходит их связывание:

Н + ОН + Н2О.

Так карбонат-анион может поддерживать постоянную среду.
Предлагаю вам задание: имеется фосфат анион , покажите буферные свойства этого аниона.

(Ответ.

Познакомимся с понятием «водородный показатель рН» и оценим значения рН различных жидкостей в живом организме. Сначала рассмотрите опорный конспект, его I блок – «Вода – слабый электролит» (самостоятельная работа с опорным конспектом).
Затем познакомьтесь со II блоком – «Водородный показатель».
Учащиеся записывают опорный конспект в тетради.

 

Опорный конспект по теме «Диссоциация воды. рН»

I блок. Вода – слабый электролит

В очень малой степени вода распадается на ионы:

H2O H+ + OH.

В 1 л воды (t = 22 °C) диссоциации подвергается только 10–7 моль Н2О, при этом образуется 10–7 моль/л ионов H+ и 10–7 моль/л ионов ОН.
Kв – ионное произведение воды:

Kв = [H+]•[OH] = 10–7•10–7= 10–14.

Любой водный раствор содержит ионы Н+ и ОН.
Для чистой воды [H+] = [OH] = 10–7.

II блок. Водородный показатель

Чтобы избежать неудобств с применением чисел с отрицательными показателями степени, концентрацию водородных ионов выражают через водородный показатель рН – десятичный логарифм концентрации водородных ионов, взятый с обратным знаком:

рН = –lg [H+] или [H+] = 10–рН,

где [H+] – концентрация ионов водорода, моль/л.
Понятие «водородный показатель» введено датским химиком С.П.Л.Сёренсеном в 1909 г.

Задание. Определите среду следующих жидкостей: желудочный сок (рН = 1,7), кровь (рН = 7,4),
слюна (
рН = 6,9), слезы (рН = 7).

Тест «Неорганические вещества клетки»

1. Сколько химических элементов можно обнаружить в клетке?
а) 24; б) 60; в) 150.

2. Какие химические элементы, содержащиеся в клетке, относят к макроэлементам?
а) S, Na, Ca, K; б) O, H, C, N; в) Ni, Cu, I, Br.

3. В каких клетках человека больше всего воды?
а) Жировых; б) костных; в) нервных.

4. Каковы функции воды в клетке?
а) Передача наследственной информации;
б) среда для химических реакций;
в) источник энергии.

5. К гидрофобным веществам относят:
а) соли; б) сахар; в) жиры.

6. Какие ионы входят в состав гемоглобина?
а) Mg2+; б) Fe2+; в) Zn2+.

7. На каком уровне организации наблюдаются различия между органическим и неорганическим миром?
а) Атомарный; б) молекулярный; в) клеточный.

8. Больше всего воды содержится в клетках:
а) эмбриона; б) молодого человека; в) старика.

9. Вода – основа жизни, т.к. она:
а) может находиться в трех состояниях (жидком, твердом и газообразном);
б) является растворителем, обеспечивающим как приток веществ в клетку, так и удаление из нее продуктов обмена;
в) охлаждает поверхность при испарении.

10. Вещества, хорошо растворимые в воде, называются:
а) гидрофильными; б) гидрофобными; в) амфифильными.

11. Угол между валентными связями Н–О–Н в молекуле воды составляет:
а) 90°; б) 104,5°; в) 120°.

12. Чем объясняется относительное постоянство реакции среды содержимого клетки?
а) Тургором; в) осмосом; в) буферностью.

(Ответы. 1 – а; 2 – б; 3 – в; 4 – б; 5 – в; 6 – б;
7 – в; 8 – а; 9 – б; 10 – а; 11 – б; 12 – в.)

УЧИТЕЛЬ БИОЛОГИИ. Подведем итоги нашего урока. В состав живых организмов входит ряд относительно простых соединений, которые встречаются и в неживой природе. Это неорганические соединения. И конечно, первоочередная роль среди этих соединений принадлежит воде. Она обладает уникальными свойствами. Свойства эти настолько важны, что нельзя представить жизнь живых организмов без этого соединения водорода и кислорода.

«Природа – это открытая книга.
Надо только правильно читать ее».

* По другим источникам S, К, Mg относят к макроэлементам, а все остальные приводимые элементы – к микроэлементам. – Примеч. ред.

 

Л.В.БАКУЛИНА, учитель биологии;
Н.Г.ПИКАЛОВА, учитель химии школы № 10
(г. Канаш, Чувашская Республика)