Химический состав клеток
Макроэлементы, их роль в клетке. В клетках разных организмов обнаружено около 70 элементов периодической системы элементов Д. И. Менделеева, но лишь 24 из них имеют вполне установленное значение и встречаются постоянно во всех типах клегок.
Наибольший удельный вес в элементном составе клетки приходится на кислород, углерод, водород и азот. Это так называемые основные, или биогенные, элементы. Атомы этих элементов образуют молекулы всех органических веществ клеток; на их долю приходится более 95% массы клеток, причем относительное содержание элементов в живом веществе намного выше, чем в земной коре. К главным элементам органических молекул относятся также фосфор и сера.
Жизненно важными являются, кроме того, кальций, магний, калий, натрий и хлор (в клетках животных) , входящие в состав клетки в виде ионов. Их содержание в клетке исчисляется десятыми и сотыми долями процента. Перечисленные элементы составляют группу макроэлементов.
Ионы кальция принимают участие в регуляции ряда клеточных процессов, в том числе мышечного сокращения и других двигательных функций, а также в свертывании крови. Нерастворимые соли кальция участвуют в формировании костей и зубов, карбонат кальция - в образовании раковин моллюсков, укреплении оболочек клеток некоторых видов растений. Концентрация ионов магния важна для поддержания целостности и функционирования рибосом. Кроме того, магний входит в состав хлорофилла и поддерживает нормальную работу митохондрий.
Ионы калия и натрия участвуют в поддержании определенной ионной силы и создании буферной среды, регулируют осмотическое давление в клетке, обусловливают нормальный ритм сердечной деятельности, обеспечивают передачу нервного импульса. Хлор в виде анионов участвует в создании солевой среды животных организмов (для растений хлор является микроэлементом) и, кроме того, иногда входит в состав органических соединений.
Микроэлементы, их роль в клетке. Другие химические элементы - медь, марганец, железо, кобальт, цинк, а также (для некоторых организмов) бор, фтор, хром, селен, алюминий, кремний, молибден и иод -- содержатся в небольших количествах (не более 0,01% массы клеток) . Они относятся к группе микроэлементов.
Процентное содержание в организме того или иного элемента никоим образом не характеризует степень его важности и необходимости в организме. Кобальт, например, входит в состав витамина В12, иод - в состав гормонов тироксина и тиронина, а медь - в состав ферментов, катализирующих окислительно-восстановительные процессы; кроме того, медь участвует в переносе кислорода в тканях моллюсков. Железо является составной частью комплексов, выполняющих ряд жизненно важных функций. К ним относятся, например, гем гемоглобина, некоторые ферменты и переносчики электронов (цитохром С) .
Значительное число ферментов с разнообразным механизмом действия содержат ионы цинка, марганца, кобальта и молибдена.
Кремний встречается у диатомовых водорослей, хвощей, губок и моллюсков. В хрящах и связках позвоночных животных его содержание может достигать нескольких сотых долей процента.
Бор влияет на рост растений, фтор входит в состав эмали зубов и костей.
1. Дайте определения понятий.
Элемент
- совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра и числом протонов, совпадающим с порядковым (атомным) номером в таблице Менделеева.
Микроэлемент
- элемент, который в организме находится в очень низких концентрациях.
Макроэлемент
- элемент, который в организме находится в высоких концентрациях.
Биоэлемент
- химический элемент, участвующий в жизнедеятельности клетки, составляет основу биомолекул.
Элементный состав клетки
- процентное содержание химических элементов в клетке.
2. Что является одним из доказательств общности живой и неживой природы?
Единство химического состава. Никакаих элементов, характерных только для неживой природы, не существует.
3. Заполните таблицу.
ЭЛЕМЕНТНЫЙ СОСТАВ КЛЕТКИ
4. Приведите примеры органических веществ, молекулы которых состоят из трех, четырех и пяти макроэлементов.
3 элемента: углеводы и липиды.
4 элемента: белки.
5 элементов: нуклеиновые кислоты, белки.
5. Заполните таблицу.
БИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ ЭЛЕМЕНТОВ
6. Изучите в § 2.2 раздел «Роль внешних факторов в формировании химического состава живой природы» и ответьте на вопрос: «Что такое биохимические эндемии, и каковы причины их происхождения?»
Биохимические эндемии – это заболевания растений, животных и человека, вызванные резким недостатком либо избытком какого-либо элемента в определенной области.
7. Какие вам известны заболевания, связанные с нехваткой микроэлементов?
Недостаток йода – эндемический зоб. Снижение синтеза тироксина и разрастание вследствие этого тканей щитовидной железы.
Недостаток железа – железодефицитная анемия.
8. Вспомните, по какому признаку химические элементы распределяют на макро-, микро- и ультрамикроэлементы. Предложите свою, альтернативную классификацию химических элементов (например, по функциям в живой клетке).
Микро-, макро- и ультрамикроэлементы делятся по признаку, основанному на процентному содержанию их в клетке. Кроме того, можно классифицировать элементы по функциям, регулирующие деятельность определенных систем органов: нервной, мышечной, кровеносной и сердечно-сосудистой, пищеварительной и т.д.
9. Выберите правильный ответ.
Тест 1.
Какими химическими элементами образовано большинство органических веществ?
2) С, О, Н, N;
Тест 2.
К макроэлементам не относится:
4) марганец.
Тест 3.
Живые организмы нуждаются в азоте, так как он служит:
1) составным компонентом белков и нуклеиновых кислот;
10. Определите признак, по которому все нижеперечисленные элементы, кроме одного, объединены в одну группу. Подчеркните этот «лишний» элемент.
Кислород, водород, сера, железо, углерод, фосфор, азот. Входит в состав только ДНК. А остальные все в белках.
11. Объясните происхождение и общее значение слова (термина), опираясь на значение корней, его составляющих.
12. Выберите термин и объясните, насколько его современное значение соответствует первоначальному значению его корней.
Выбранный термин
– органоген.
Соответствие:
термин, в принципе, соответствует своему первоначальному значению, но сегодня существует более точное определение. Ранее значение было таким, что элементы принимает участие лишь в построении тканей и клеток органов. Теперь же выяснено, что биологически важные элементы не только образуют химические молекулы в клетках и т.д., но и регулируют все процессы в клетках, тканях и органах. Они входят в состав гормонов, витаминов, ферментов и других биомолекул.
13. Сформулируйте и запишите основные идеи § 2.2.
Элементный состав клетки - это процентное содержание химических элементов в клетке. Элементы клетки принято классифицировать, в зависимости от их процентного содержания, на микро-, макро- и ультрамикроэлементы. Те элементы, которые участвуют в жизнедеятельности клетки, составляет основу биомолекул, называются биоэлементы.
К макроэлементам относятся: C N H O. Они – главные компоненты всех органических соединений в клетке. Кроме того, P S K Ca Na Fe Cl Mg – входят в состав всех важнейших биомолекул. Без них невозможно функционирование организма. Недостаток их приводит к смерти.
К микроэлементам: Al Cu Mn Zn Mo Co Ni I Se Br F B и др. Они также необходимы для нормального функционирования организма, но не так критично. Недостаток их вызывает болезнь. Они входят в состав биологически активных соединений, влияют на обмен веществ.
Есть ультрамикроэлементы: Au Ag Be и др. Физиологическая роль окончательно не установлена. Но они важны для клетки.
Существует понятие «биохимические эндемии» – заболевания растений, животных и человека, вызванные резким недостатком либо избытком какого-либо элемента в определенной области. Например, эндемический зоб (недостаток йода).
При недостатке элемента из-за образа питания также может возникнуть заболевание или недомогания. Например, при недостатке железа – анемия. При недостатке кальция – частые переломы, выпадение волос, зубов, боли в мышцах.
Биологическая роль химических элементов в организме человека чрезвычайно разнообразна.
Главная функция макроэлементов состоит в построении тканей, поддержании постоянства осмотического давления, ионного и кислотно-основного состава.
Микроэлементы, входя в состав ферментов, гормонов, витаминов, биологически активных веществ в качестве комплексообра-зователей или активаторов, участвуют в обмене веществ, процессах размножения, тканевом дыхании, обезвреживании токсических веществ. Микроэлементы активно влияют на процессы кроветворения, окисления - восстановления, проницаемость сосудов и тканей. Макро- и микроэлементы - кальций, фосфор, фтор, иод, алюминий, кремний - определяют формирование костной и зубной тканей.
Имеются данные, что содержание некоторых элементов в организме человека меняется с возрастом. Так, содержание кадмия в почках и молибдена в печени к старости повышается. Максимальное содержание цинка наблюдается в период полового созревания, затем оно понижается и в старости доходит до минимума. Уменьшается с возрастом и содержание других микроэлементов, например ванадия и хрома.
Выявлено немало заболеваний, связанных с недостатком или избыточным накоплением различных микроэлементов. Дефицит фтора вызывает кариес зубов, дефицит иода - эндемический зоб, избыток молибдена - эндемическую подагру. Такого рода закономерности связаны с тем, что в организме человека поддерживается баланс оптимальных концентраций биогенных элементов - химический гомеостаз. Нарушение этого баланса вслед-
ствие недостатка или избытка элемента может приводить к различным заболеваниям
Кроме шести основных макроэлементов - органогенов - углерода, водорода, азота, кислорода, серы и фосфора, из которых состоят углеводы, жиры, белки и нуклеиновые кислоты, для нормального питания человека и животных необходимы «неорганические» макроэлементы - кальций, хлор, магний, калий, натрий - и микроэлементы - медь, фтор, иод, железо, молибден, цинк, а также, возможно (для животных доказано), селен, мышьяк, хром, никель, кремний, олово, ванадий.
Недостаток в пищевом рационе таких элементов, как железо, медь, фтор, цинк, иод, кальций, фосфор, магний и некоторых других, приводит к серьезным последствиям для здоровья человека.
Однако необходимо помнить, что для организма вреден не только недостаток, но и избыток биогенных элементов, так как при этом нарушается химический гомеостаз. Например, при поступлении избытка марганца с пищей в плазме повышается уровень меди (синергизм Мп и Си), а в почках он снижается (антагонизм). Повышение содержания молибдена в продуктах питания приводит к увеличению количества меди в печени. Избыток цинка в пище вызывает угнетение активности железосодержащих ферментов (антагонизм 2п и Ре).
Минеральные компоненты, которые в ничтожно малых количествах являются жизненно необходимыми, при более высоких концентрациях становятся токсичными.
Жизненная необходимость, дефицит, токсичность химического элемента представлены в виде кривой зависимости «Концентрация элемента в пищевых продуктах - реакция организма» (рис. 5.5). Приблизительно горизонтальный участок кривой (плато) описывает область концентраций, соответствующих оптимальному росту, здоровью, воспроизведению. Большая протяженность плато указывает не только на малую токсичность элемента, но также на большую способность организма к адаптации по отношению к значительным изменениям содержания этого элемента. Наоборот, узкое плато свидетельствует о значительной токсичности элемента и резком переходе от необходимых организму количеств к опасным для жизни. При выходе за плато (увеличение концентрации микроэлемента) все элементы становятся токсичными. В конечном счете существенное увеличение концентрации микроэлементов может привести к летальному исходу.
Ряд элементов (серебро, ртуть, свинец, кадмий и др.) счи-
таются токсичными, так как попадание их в организм уже в микроколичествах приводит к тяжелым патологическим явлениям. Химический механизм токсического воздействия некоторых микроэлементов будет рассмотрен ниже.
Биогенные элементы нашли широкое применение в сельском хозяйстве. Добавление в почву незначительных количеств микроэлементов - бора, меди, марганца, цинка, кобальта, молибдена - резко повышает урожайность многих культур. Оказывается, что микроэлементы, увеличив активность ферментов в растениях, способствуют синтезу белков, витаминов, нуклеиновых кислот, Сахаров и крахмала. Некоторые из химических элементов положительно действуют на фотосинтез, ускоряют рост и развитие растений, созревание семян. Микроэлементы добавляют в корм животным, чтобы повысить их продуктивность.
Широко используют различные элементы и их соединения в качестве лекарственных средств.
Таким образом, изучение биологической роли химических элементов, выяснение взаимосвязи обмена этих элементов и других биологически активных веществ - ферментов, гормонов, витаминов - способствует созданию новых лекарственных препаратов и разработке оптимальных режимов их дозирования как с лечебной, так и с профилактической целью.
В современных условиях одной из самых актуальных проблем преподавания химии становится обеспечение практической ориентированности предметного знания. Это означает необходимость выяснения тесной взаимосвязи между изучаемыми теоретическими положениями и практикой жизни, демонстрации прикладного характера химических знаний. Учащиеся с интересом начинают изучать химию. Для того чтобы сохранить познавательный интерес учащихся, нужно убедить их в действенности химических знаний, сформировать личную потребность в овладении учебным материалом.
Цель данного урока: расширить кругозор учащихся и повысить познавательный интерес к изучению предмета, формировать мировоззренческие понятия о познаваемости природы. Этот урок предлагается провести в 8 классе после изучения химических элементов Периодической системы, когда у ребят уже есть представление об их многообразии.
ХОД УРОКА
Учитель:
Другого ничего в природе нет
Ни здесь, ни там, в космических глубинах:
Все – от песчинок малых до планет –
Из элементов состоит единых.
Как формула, как график трудовой,
Строй менделеевской системы строгий.
Вокруг тебя творится мир живой,
Входи в него, вдыхай, руками трогай.
Урок начинается театрализованной сценкой “Кто в таблице всех важнее?” (см. Приложение 1 ).
Учитель: В организме человека находятся 81 химический элемент из 92 встречающихся в природе. Человеческий организм – сложная химическая лаборатория. Трудно себе представить, что ежедневно наше самочувствие, настроение и даже аппетит могут зависеть от минеральных веществ. Без них бесполезными оказываются витамины, невозможны синтез и распад белков, жиров и углеводов.
На столах у учеников – таблицы “Биологическая роль химических элементов” (см. Приложение 2 ). Дается время на знакомство с ней. Учитель вместе с учениками проводит анализ таблицы, задавая вопросы.
Учитель:
Основу жизни составляют
шесть элементов первых трех периодов (H, C, N, О, Р, S),
на долю которых приходится 98% массы живого
вещества (остальные элементы периодической
системы составляют не более 2%).
Три основных признака биогенных элементов (H, C, N,
O, P, S):
- малый размер атомов,
- небольшая относительная атомная масса,
- способность образовывать прочные ковалентные связи.
Ученикам раздаются тексты (см. Приложение 3
).
Задание: внимательно прочитать текст; выделить
элементы, необходимые для жизни, и элементы,
опасные для живых организмов; найти их в
Периодической системе и объяснить их роль.
После выполнения задания несколько учеников
проводят анализ разных текстов.
Учитель:
Элементы-аналоги в природной
среде вступают в конкуренцию и могут
взаимозаменяться в живых организмах,
отрицательно на них влияя.
Замена натрия и калия в организмах животных и
человека на литий вызывает расстройства нервной
системы, так как в этом случае клетки не проводят
нервный импульс. Подобные нарушения приводят к
шизофрении.
Таллий, биологический конкурент калия, заменяет
его в стенках клеток, поражает центральную и
периферическую нервную систему,
желудочно-кишечный тракт и почки.
Селен может заменить серу в составе белков. Это
единственный элемент, который при высоком
содержании в растениях может вызвать внезапную
смерть животных и человека, употребивших их в
пищу.
Кальций при его недостатке в почве заменяется в
организме на стронций, который постепенно
нарушает нормальную структуру скелета. Особенно
опасна замена кальция на стронций-90, который в
огромных количествах накапливается в местах
ядерных взрывов (при испытании ядерного оружия)
или при авариях на АЭС. Этот радионуклид
разрушает костный мозг.
Кадмий конкурирует с цинком. Этот элемент
снижает активность пищеварительных ферментов,
нарушает процесс образования гликогена в печени,
вызывает деформацию скелета, угнетает рост
костей, а также вызывает тяжелые боли в пояснице
и в мышцах ног, хрупкость костей (например,
перелом ребер при кашле). Другие негативные
последствия – рак легких и прямой кишки,
нарушение функции поджелудочной железы.
Поражение почек, снижение содержания в крови
железа, кальция, фосфора. Этот элемент тормозит
процессы самоочищения в водных и наземных
растениях (отмечается, например, 20-30-кратное
увеличение кадмия в листьях табака).
Галогены могут очень легко взаимозаменяться в
организме. Избыток фтора в окружающей среде
(фторированная вода, загрязнение почвы
соединениями фтора вокруг предприятия по
производству алюминия и другие причины)
препятствует поступлению в организм человека
йода. В связи с этим возникают заболевания
щитовидной железы, эндокринной системы в целом.
Сообщения учащихся, подготовленные заранее.
1-й учащийся:
Средневековые алхимики считали золото совершенством, а остальные металлы – ошибкой в акте творения и, как известно, прикладывали большие усилия к ликвидации этой ошибки. Идею введения золота в медицинскую практику приписывают Парацельсу, который провозгласил, что целью химии должно быть не превращение всех металлов в золото, а приготовление лекарств. Лекарственные препараты из золота и его соединений пытались применять при многих заболеваниях. Им лечили проказу, волчанку, туберкулез. У людей, чувствительных к золоту, оно могло вызвать нарушение состава крови, реакцию со стороны почек, печени, влиять на настроение, рост зубов, волос. Золото обеспечивает работу нервной системы. Оно содержится в кукурузе. А крепость кровеносных сосудов зависит от германия. Единственный продукт питания, содержащий германий, – чеснок.
2-й учащийся:
В человеческом организме наибольшее количество меди содержится в мозге и печени, и одно это обстоятельство указывает на ее важность в жизнедеятельности. Обнаружено, что при болях повышается концентрация меди в крови и спинномозговой жидкости. В Сирии и Египте новорожденным для профилактики рахита и эпилепсии надевают медные браслеты.
3-й учащийся:
АЛЮМИНИЙ
Алюминиевую посуду называют посудой бедняков, так как этот металл способствует развитию старческого атеросклероза. При приготовлении пищи в такой посуде алюминий частично переходит в организм, где и накапливается.
4-й учащийся:
- Какой элемент содержится в яблоках? (Железо.)
- Какова его биологическая роль? (В организме содержится 3 г железа, из них 2 г – в крови. Железо входит в состав гемоглобина. Недостаточное содержание железа приводит к головной боли, быстрой утомляемости.)
Затем учащиеся проводят лабораторный опыт, цель которого – экспериментально доказать действие солей некоторых металлов на белок. Они смешивают белок с растворами щелочи и медного купороса и наблюдают выпадение фиолетового осадка. Делают вывод о разрушении белка.
5-й учащийся:
Человек – он ведь тоже природа.
Он ведь тоже закат и восход.
И четыре в нем времени года.
И особый в нем музыки ход.
И особое таинство цвета,
То с жестоким, то с добрым огнем.
Человек – он зима. Или лето.
Или осень. С грозой и дождем.Все вместил в себя – версты и время.
И от атомных бурь он ослеп.
Человек – он и почва, и семя.
И сорняк среди поля. И хлеб.И какая в нем брезжит погода?
Сколько в нем одиночества? Встреч?
Человек – он ведь тоже природа…
Так давайте природу беречь!
(С. Островой)
Для закрепления полученных на уроке знаний
проводится тест “Улыбка” (см. Приложение 4
).
Далее предлагается заполнить кроссворд
“Химический калейдоскоп” (см. Приложение 5
).
Учитель подводит итог урока, отмечая наиболее
активных учеников.
6-й учащийся:
Перемена, перемена!
Заливается звонок.
Наконец-то он закончен,
Надоедливый урок!Дернув серу за косичку,
Мимо магний пробежал.
Йод из класса испарился,
Будто вовсе не бывал.Фтор поджег случайно воду,
Хлор чужую книжку съел.
Углерод вдруг с водородом
Невидимкой стать успел.Калий, бром в углу дерутся:
Не поделят электрон.
Кислород – шалун на боре
Мимо проскакал верхом.
Используемая литература:
- О.В. Байдалина О прикладном аспекте химических знаний. “Химия в школе” № 5, 2005 г.
- Химия и экология в школьном курсе. “Первое сентября” № 14, 2005 г.
- И. Н. Пименова, А. В. Пименов “Лекции по общей биологии”, учебное пособие, Саратов, ОАО Издательство “Лицей”, 2003 г.
- О химии в стихах, Кто в таблице всех главнее? “Первое сентября”, № 15, 2005 г.
- Металлы в организме человека.“Химия в школе”, № 6 , 2005 г.
- Кроссворд “Химический калейдоскоп”. “Первое сентября”, №1 4, 2005 г.
- “Я иду на урок химии”. Книга для учителя. М. “Первое сентября”, 2002 г., стр. 12.
