Неорганические ионы, или минеральные вещества, выполняют в организме следующие функции:

1. Биоэлектрическая функция. Эта функция связана с воз­никновением разности потенциалов на клеточных мембранах. Градиент концентрации ионов по обе стороны мембраны создаёт в разных клетках потенциал порядка 60-80 мВ. Внутренняя сторона клеточной мембраны относительно наружной заряжена отрицательно. Электрический потен­циал мембраны тем выше, чем больше содержание белка и его иониза­ция (отрицательный заряд) внутри клетки и концентрация катионов вне клетки (диффузия ионов Na + и К + через мембрану внутрь клетки затруд­нена). Данная функция неорганических ионов используется для регуля­ции функций особенно возбудимых клеток (нервных, мышечных) и для проведения нервных импульсов.

2. Осмотическая функция используется для регуляции осмо­тического давления. Живая клетка подчиняется закону изоосмополярности: во всех средах организма, между которыми есть свободный обмен водой, устанавливается одинаковое осмотическое давление. Если число ионов в какой-то среде возрастает, то вслед за ними устремляется вода, пока не установится новое равновесие и новый уровень осмотического давления.

3. Структурная функция обусловлена комплексообразующими свойствами металлов. Ионы металлов взаимодействуют с анионными группами белков, нуклеиновых кислот и других макромолекул и тем са­мым обеспечивают наряду с другими факторами поддержание опреде­лённых конформаций этих молекул. Поскольку биологическая активность биополимеров зависит от их конформаций, то нормальное осуществление белками их функций, беспрепятственная реализация информации, зало­женной в нуклеиновых кислотах, образование надмолекулярных ком­плексов, формирование субклеточных структур и другие процессы не­мыслимы без участия катионов и анионов.

4. Регуляторная функция заключается в том, что ионы ме­таллов являются активаторами ферментов и тем самым регулируют ско­рость химических превращений в клетке. Это прямое регуляторное дей­ствие катионов. Косвенное заключается в том, что ионы металлов часто необходимы для действия другого регулятора, например, гормона. При­ведём несколько примеров. Формирование активной формы инсулина невозможно без ионов цинка. Третичная структура РНК в огромной сте­пени определяется ионной силой раствора, а такие катионы, как Сr 2+ , Ni 2+ , Fe 2+ , Zn 2+ ,Mn 2+ и другие, непосредственно участвуют в формирова­нии спиральной структуры нуклеиновых кислот. Концентрация ионов Мg 2+ влияет на формирование такой надмолекулярной структуры, как рибосомы.

5. Транспортная функция проявляется в участии некоторых металлов (в составе металлопротеидов) в переносе электронов или про­стых молекул. Например, катионы железа и меди входят в состав цитохромов, являющихся переносчиками электронов в дыхательной цепи, а железо в составе гемоглобина связывает кислород и участвует в его пе­реносе.

6. Энергетическая функция связана с использованием фос­фат-анионов в образовании АТФ и АДФ (АТФ - основной носитель энер­гии в живых организмах).

7. Механическая функция. Например, катион Са +2 и фосфат-анион входят в состав гидроксилапатита и фосфата кальция костей и определяют их механическую прочность.

8. Синтетическая функция. Многие неорганические ионы ис­пользуются в синтезах сложных молекул. Например, ионы йода I¯ участ­вуют в синтезе йодтиронинов в клетках щитовидной железы; анион (SО 4) 2- - в синтезе эфиросерных соединений (при обезвреживании в ор­ганизме вредных органических спиртов и кислот). Важное значение в механизме защиты от токсического действия пероксида имеет селен. Он образует селеноцистеин - аналог цистеина, в котором вместо атомов серы атомы селена. Селеноцистеин является составной частью фермента глутатион-пероксидазы, катализирующей восстановление пероксида во­дорода глутатионом (трипептид - γ-глутамил-цистеинилглицин)

Важно отметить, что в известных пределах возможна взаимоза­меняемость некоторых ионов. При недостатке какого-то иона металла он может заменяться ионом другого металла, близким по физико-химическим свойствам и ионному радиусу. Например, ион натрия заме­щается ионом лития; ион кальция - ионом стронция; ион молибдена - ионом ванадия; ион железа - ионом кобальта; иногда ионы магния - ио­нами марганца.

Благодаря тому, что минеральные вещества активируют дейст­вие ферментов, они влияют на все стороны обмена веществ. Рассмотрим, в чём выражается зависимость обмена нуклеиновых кислот, белков, уг­леводов и липидов от наличия тех или иных неорганических ионов.

Цели:

Обучающие :

• Систематизация знаний о химическом составе клетки.
• Закрепление знаний об химических элементах и их роли в клетках живых организмов, химической общности живой и неживой природы.
• Осознание роли химических веществ для нормального функционирования организма человека.

Воспитательные:

• формирование мировоззрения, активной жизненной позиции, опыта правильного поведения и общения, превращение этих ценных свойств в устойчивые нравственные качества личности, формирование готовности к самовоспитанию и психического развития; воспитать предметную компетентность учащихся. Привить гигиенические навыки здорового образа жизни.

Развивающие:

• развитие интеллекта, внимания, восприятия, памяти, мышления, воображения, речи, эмоционально-волевой сферы школьников; выделение важнейших, доминирующих задач урока, их конкретизация с учетом особенностей и возможностей коллектива.

Оборудование: схема «Химические элементы», картинки с изображением растений и животных, знаки химических элементов, мука, штатив, стеклянная палочка, фарфоровая чашка.

Задачи:

1. Рассказать о единстве химического состава живых организмов и неживой природы.
2. Раскрыть роль минеральных веществ в жизни клетки живого организма.

План урока:

1. Проверка знаний по теме «Методы цитологии», «Клеточная теория» (рассказ, тесты).
2. Новая тема:
   1. Химический состав клетки.
   2. Классификация минеральных веществ (по содержанию в клетке).
   3. Роль макро и микроэлементов в жизни клетки.
   4. Роль химических элементов в организме человека.
3. Закрепление.
4. Домашнее задание.

Ход урока

I. Проверка знаний:

1. Методы и задачи цитологии.

2. Увеличительные приборы. Устройство светового микроскопа. Как узнать общее увеличение светового микроскопа?

3. История становления цитологии. Вклад отдельных ученых в развитие клеточной теории.

4. Карточки с тестами:

Деление клетки открыл и установил, что каждая клетка происходит от исходной путем деления:
а) Левенгук
б) Р. Гук
в) Р. Броун
г) Р. Вихров

Клеточное строение организмов всех царств свидетельствует о:
а) единстве органического мира
б) сходстве живой и неживой природы
в) происхождении живого от неживого
г) сходстве строения бактерий, вирусов, грибов.

Создателями клеточной теории являются:
а) Дарвин и Уоллес
б) Мендель и Морган
в) Гук и Левенгук
г) Шлейден и Шванн

Клеточной теории соответствует следующее положение:
А) размножение клеток происходит путем их деления
Б) хромосомы – материальные носители наследственности
В) все живые существа, кроме бактерий, имеют клеточное строение.
Г) клетки всех живых существ и вирусы сходны по строению и функциям

В чем проявляется общность между выводами клеточной и атомно-молекулярной теорий?
А) в установлении единицы строения объекта
б) в сходстве строения объектов исследования
в) в сходстве свойств объектов исследования

II. Новая тема: А сейчас мы с вами посмотрим демонстрационный опыт.

Демонстрационный опыт «Сжигание муки в фарфоровой чашке»

Какие вещества образуются при сгорании муки? Какие признаки реакции вы наблюдали?

Признаки реакции:

• капельки воды (пары воды конденсируются на холодной стеклянной пластинке);
• дым (сгорают органические вещества);
• зола (неорганические вещества). (Слайд)

Итак, в состав живых организмов входят органические и неорганические вещества, а также вода. Сегодня на уроке мы остановимся на изучении неорганических веществ в клетках живых организмов, узнаем какую роль выполняют те или иные химические элементы в процессах жизнедеятельности живых организмов.

Послушайте, ребята, строки из стихотворения С. Щипачева «Читая Менделеева»:

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

Ребята, на уроках биологии и химии мы не раз убеждались в том, что нас окружает мир химических соединений. В любом живом организме, в том числе и в организме человека, непрерывно протекает множество химических реакций. Можно сказать, что каждая живая клетка представляет собой микроскопическую химическую лабораторию. Поступление химических веществ осуществляется в результате важного свойства клетки – обмена веществ и энергии.

Ребята, давайте вспомним и ответим на следующие вопросы:

• Что называется обменом веществ?
• Каково значение обмена веществ?
• Назовите основные направления обмена веществ?
• Что такое ассимиляция?
• Что называется диссимиляцией?

Для каждого вида организмов характерен особый, генетически закрепленный тип обмена веществ. Любое заболевание сопровождается нарушениями обмена, а генетически обусловленные нарушения обмена являются причиной многих наследственных болезней.

Многим химикам известны крылатые слова, сказанные в 40-х годах текущего столетия немецкими учеными Вальтером и Идой Ноддак, что в каждом булыжнике на мостовой присутствуют все элементы Периодической системы. Вначале эти слова были встречены далеко не с единодушным одобрением. Однако, по мере того как разрабатывались все более точные методы аналитического определения химических элементов, ученые все больше убеждались в справедливости этих слов.

Если согласиться с тем, что в каждом булыжнике содержатся все элементы, то это должно быть справедливо и для живого организма. Все живые организмы на Земле, в том числе и человек, находятся в тесном контакте с окружающей средой. Жизнь требует постоянного обмена веществ в организме. Поступлению в организм химических элементов способствуют питание и потребляемая вода.

Учитель: Сколько химических элементов включает современная периодическая система Д.И. Менделеева?

Из существующих в природе 118 элементов более 13 не имеют никакого значения для функционирования живых организмов, зато 90 элементов в большей или меньшей степени принимает участие и в построении живого организма, и в процессах, в нем происходящих. Основным строительным материалом являются четыре элемента: углерод, водород, кислород и азот, а остальные, часто находясь совсем в микроскопических количествах в организме, влияют на здоровье, и дефицит или избыток какого-либо элемента часто является причиной того или иного заболевания.

Никаких специальных элементов, характерных только для живых организмов, не существует, и это является одним из доказательств общности живой и неживой природы. Но количественное содержание тех или иных элементов в живых организмах и в окружающей их неживой среде существенно отличается. Например, кремния в почве около 33%, а в наземных растениях лишь 0,15%. Подобные различия указывают на способность живых организмов накапливать только те элементы, которые необходимы им для жизнедеятельности.

Для изучения количественного состава химических элементов, содержащихся в клетках живых организмов, проведем самостоятельную работу используя учебник. Самостоятельная работа учащихся (5 минут).

• Выпишите химические элементы, которые в сумме составляют 98% всего содержимого клетки.
• Выпишите химические элементы, содержание которых в клетке исчисляется десятыми и сотыми долями процентов.

Учитель: Ребята, проведем проверку выполнения самостоятельной работы.

Итак, мы выявили три группы элементов: макроэлементы – доля которых составляет 98% и микроэлементов – доля которых составляет 1,9%, ультрамикроэлементы, их концентрация не превышает 10-5%. К ним относятся уран, радий, золото, серебро, бериллий, селен и др. редкие элементы.

Многие химические элементы, входящие в состав клетки, выполняют определенную функцию. Химические элементы, которые входят в состав клетки и выполняют биологические функции называются биогенными. К биогенным элементам относится около 30 элементов. Среди биогенных элементов особое место занимают так называемые элементы – органогены, которые образуют важнейшие вещества в живых организмах - воду, белки, жиры, углеводы, витамины, гормоны и др. К органогенам относятся шесть элементов – C, O, H, N, H, S.

К числу биогенных элементов относится и ряд металлов, среди которых особенно важные биологические функции выполняют десять, так называемых “ металлы жизни”. Этими металлами являются четыре s – элемента C ,K, Na, Mg и шесть d элементов – Fe, Zn, Cu, Mn, Mo, Co.

К макроэлементам относят кислород (65-75%), углерод (15-18%), водород (8-10%), азот (2,0-3,0%), калий (0,15-0,4 %), сера (0,15-0,2%), фосфор (0,2-1,0%), хлор (0,05-0,1%), магний (0,02-0,03 %), натрий (0,02-0,03%), кальций (0,04-2,00%), железо (0,01-0,015%. Такие элементы, как C, O, H, N, S, P входят в состав органических соединений.

А теперь мы послушаем выступления учащихся о роли макроэлементов в клетке и в организме растений, животных и человека. В ходе выступления товарищей заполняем таблицу в тетрадях.(Слайд)

1. Кислород - входит в состав практически всех органических веществ клетки. Образуется в ходе фотосинтеза при фотолизе воды. Для аэробных организмов служит окислителем в ходе клеточного дыхания, обеспечивая клетки энергией. В наибольших количествах в живых клетках содержится в составе воды. Он не только существенная часть вдыхаемого нами воздуха и питьевой воды, он так же занимает значимое место в нашем теле. С 65% общей массы нашего тела, кислород, самый важный химический элемент в составе человеческого организма.
2. Углерод - входит в состав всех органических веществ; скелет из атомов углерода составляет их основу. Кроме того, в виде CO2 фиксируется в процессе фотосинтеза и выделяется в ходе дыхания, в виде CO (в низких концентрациях) участвует в регуляции клеточных функций, в виде CaCO3 входит в состав минеральных скелетов.
3. Водород, как и кислород - составной элемент воздуха и питьевой воды. И он также относится к основным компонентам человеческого тела. 10% нашего веса состоят из водорода. Водород - входит в состав всех органических веществ клетки. В наибольших количествах содержится в составе воды. Некоторые бактерии окисляют молекулярный водород для получения энергии.
4. Азот - входит в состав белков, нуклеиновых кислот и их мономеров - аминокислот и нуклеотидов. Из организма животных выводится в составе аммиака, мочевины, гуанина или мочевой кислоты как конечный продукт азотного обмена. В виде оксида азота NO (в низких концентрациях) участвует в регуляции кровяного давления. Несмотря на то, что азот также содержится в воздухе, он более известен как теплоноситель, в жидкой форме. Всё же, его таинственно испаряющейся газы не должны вводить в заблуждение- 3% массы нашего тела состоят из азота.
5. Может ли сера, с её неприятным видом и запахом, быть важной для нашего организма? Да, это именно так. Сера - существенная составная часть аминокислот и коферментов. Сера - входит в состав серосодержащих аминокислот, поэтому содержится в большинстве белков. В небольших количествах присутствует в виде сульфат -иона в цитоплазме клеток и межклеточных жидкостях.
6. Фосфор, как светящееся вещество, известен каждому. Но далеко не каждый знает, что именно благодаря фосфору в организме, происходит образование ДНК, основы человеческой жизни. Фосфор - входит в состав АТФ, других нуклеотидов и нуклеиновых кислот (в виде остатков фосфорной кислоты), в состав костной ткани и зубной эмали (в виде минеральных солей), а также присутствует в цитоплазме и межклеточных жидкостях (в виде фосфат -ионов).
7. Магний жизненно необходим для всех организмов на земле, естественно, для нас людей, тоже. Вопреки его незначительной части- 0,05% массы нашего тела, недостаток магния ведет к отчётливо ощутимым последствиям: Нервозность, головные боли, усталость и судороги мышц являются только некоторыми из них. Магний - кофактор многих ферментов, участвующих в энергетическом обмене и синтезе ДНК; поддерживает целостность рибосом и митохондрий, входит в состав хлорофилла. В животных клетках необходим для функционирования мышечных и костных систем.
8. Даже если он и составляет всего 1,5%, кальций- важный металл в нашем организме. Именно он придаёт прочность нашим костям и зубам. Кальций - участвует в свёртывании крови, а также служит одним из универсальных вторичных посредников, регулируя важнейшие внутриклеточные процессы (в том числе участвует в поддержании мембранного потенциала, необходим для мышечного сокращения и экзоцитоза). Нерастворимые соли кальция участвуют в формировании костей и зубов позвоночных и минеральных скелетов беспозвоночных.
9. Натрий мы потребляем, прежде всего, в форме хлорида натрия, так же известного как поваренная соль. Элемент важен для защиты клеток и движения нервных сигналов. Натрий - участвует в поддержании мембранного потенциала, генерации нервного импульса, процессы осморегуляции (в том числе работу почек у человека) и создании буферной системы крови.
10. Калий, со скромными 0,2%, принимает небольшое участие в процессах организма. Он относится к электролитам, в которых наше тело нуждается, прежде всего, при спорте. Его недостаток может вызвать чувство истощения и судороги. Калий - участвует в поддержании мембранного потенциала, генерации нервного импульса, регуляции сокращения сердечной мышцы. Содержится в межклеточных веществах.

Учитель: Жизненно необходимые элементы натрий и калий функционируют в паре. Надежно установлено, что всем живым организмам присуще явление ионной асимметрии – неравномерное распределение ионов внутри и вне клетки. Например, внутри клеток мышечных волокон, сердца, печени, почек имеется повышенное содержание ионов калия по сравнению с внеклеточным. Концентрация ионов натрия, наоборот, выше вне клетки, чем внутри ее. Наличие градиента концентраций калия и натрия – экспериментально установленный факт. Интересно, что по мере старения организма градиент концентраций ионов калия и натрия на границе клеток падает. При наступлении смерти концентрации калия и натрия внутри и вне клетки сразу же выравниваются. В организме человека содержится в среднем около 140 г калия и около 100 г. натрия. С пищей мы ежедневно потребляем от 1,5 до 7 г ионов калия и от 2 до 15 г ионов натрия. Потребность в ионах Na настолько велика, что их необходимо специально добавлять в пищу (в виде поваренной соли). Значительная потеря ионов натрия (они выводятся из организма с мочой и потом) неблагоприятно сказывается на здоровье человека. Поэтому в жаркую погоду врачи рекомендуют есть больше солёного. Однако и избыточное содержание их в пище вызывает негативную реакцию организма, например повышение артериального давления.

Учитель: Содержание элементов в организме объясняют следующие четверостишия.

Кровь наша чуть соленая на вкус –
Содержится в ней натрия хлорид;
В межклеточном пространстве натрий-плюс
Давленье Осмоса для клеток сохранит.
Хлорид же ионы царствуют в желудке,
Чтобы запас соляной кислоты
Нам обеспечить, – это же не шутки –
Белковой пищи расщеплять хвосты.

Состав человеческого тела.

Французский химик Г. Бертран подсчитал, что тело человека, весящего около 100 кг, содержит кислорода 63 кг, углерода – 19 кг, водорода – 9 кг, азота – 5 кг, кальция – 1 кг, фосфора – 700 г, серы – 640 г, натрия – 25о г, калия – 220 г, хрома – 180 г, магния – 80 г, железа – 3 г, йода – 0,03 г. Фтора, брома, марганца, меди – еще меньше. Посчитайте

А сейчас мы рассмотрим микроэлементы Слайд К микроэлементам, составляющим от 0,001% до 0,000001% массы тела живых существ, относят ванадий, германий, йод, кобальт, марганец, никель, рутений, селен, фтор, медь, хром, цинк.

Среди всех микроэлементов в особую группу выделяют так называемые незаменимые микроэлементы. Незаменимые микроэлементы – микроэлементы, регулярное поступление которых с пищей или водой в организм абсолютно необходимо для нормальной его жизнедеятельности. Незаменимые микроэлементы входят в состав ферментов, витаминов, гормонов и других биологически активных веществ. Незаменимыми микроэлементами являются: железо, йод, медь, марганец, цинк, кобальт, молибден, селен, хром, фтор.

Вопросы к классу:

• Какие заболевания вызываются недостатком химических элементов в растительных и животных организмах?
• В каких пищевых продуктах содержатся микроэлементы?
• Какова же биологическая роль микроэлементов?

Вам предлагается выслушать внимательно сообщения, которые подготовили ваши одноклассники и ответить на предложенные выше вопросы.

1. “Биологическая роль фтора ”

В небольших количествах фтор входит в состав живых организмов. В организме человека около 2,6 г фтора, из них 2,5 г в костях. Биологическая роль фтора заключается в том, что он участвует в процессах образования зубов и костей, в обмене веществ и в активизации некоторых ферментов. Нормальное поступление фтора в организм человека от 2,5 до 3,5 мг в сутки. Понижение или повышение количества фтора вызывают различные заболевания. Хроническое отравление соединениями фтора вызывает болезнь флюороз.

Учитель: А я хочу добавить к сказанному веселое стихотворение

Исследования доказали,
Что фтор как микроэлемент
Так важен для зубной эмали,
Как для строительства цемент.
Известно: при нехватке фтора
Зубная боль возникает скоро.
Избыток фтора тоже плох:
Остаться можно без зубов.

2. “Биологическая роль кобальта”

Кобальт – микроэлемент, оказывающий разнообразное влияние на жизненные процессы растительных, животных организмов и человека. В организме человека содержится 0,03 г.кобальта, из них 14% входит в состав костей, по 43% - в мышцах и мягких тканях. Больше всего кобальта в печени, почках и в поджелудочной железе. Биологическая роль кобальта велика – он участвует в процессах обмена кроветворения, влияет на белковый, жировой, углеводный, минеральный обмены, обмен витаминов. Например, витамин С, ускоряет синтез витамина РР, входит в состав ферментов (пептидазы).

Кобальт является составной частью витамина В12.

3. “Биологическая роль меди”

Медь - один из важнейших микроэлементов, участвующих в процессах фотосинтеза и влияет на усвоение азота растениями. В организме человека содержится около 0,1 г. меди. Суточная потребность взрослого человека от 2 до 3 мг. Медь концентрируется в печени, в крови, в головном мозге, в костях. Дефицит меди и её избыток одинаково вреден для организма. При недостатке меди в рационе человека уменьшается образование гемоглабина и развивается анемия, нарушается костеобразование с изменениеми в скелете. Избыток меди накапливается в печени, мозге, почках, глазах и вызывает хронические воспалительные процессы в тканях.

Учитель: Спасибо, ребята, за выступления.

Оказывается, что можно составить элементный портрет любого человека, который строго соответствует полу, возрасту, конституции, темпераменту и, конечно, образу жизни. Элементный «портрет» – это тот химический состав, т.е. содержание макро- и микроэлементов, который мы «носим» в себе. И если в нашей жизни (организме) происходят какие-то изменения, то они затрагивают и наш элементный состав, который очень быстро реагирует на любые коллизии.

Точный диагноз стресса, который зачастую является причиной заболевания, можно, оказывается, установить по спектральному составу волос. Концентрация всех химических элементов, какие только есть в нашем организме, значительно выше в волосах, нежели в таких привычных для анализа биологических жидкостях, как кровь и моча. Кроме того, волосы концентрируют в себе практически все химические элементы, которые содержатся в нашем организме. Например, если по сыворотке крови достоверно удается получить данные о 6–8 элементах, то волосы «выдают» информацию о 20–30 элементах. Все анализы проводят с помощью плазменного спектрометра. Результаты анализа обрабатываются на компьютере, который извлекает из своей памяти сведения о средней для здорового человека данного пола и возраста норме макро- и микроэлементов, сравнивает с ними элементный состав волос пациента и оценивает отклонения в минеральном составе. В первую очередь определяется содержание таких жизненно важных элементов, как кальций, калий, железо, медь, магний, цинк, потому что функции их чрезвычайно важны для нашего организма.

По отмеченному дисбалансу ставится предварительный диагноз, затем определяется программа лечения, направленная на устранение дефицита недостающего элемента и выведения из организма вредных или содержащихся в избытке веществ. Такая коррекция минерального обмена организма может проводиться путем составления специальной диеты с включением продуктов, которые содержат в значительных количествах элементы, необходимые для нормальной жизнедеятельности вашего организма (причем диета должна составляться только специалистами)

В волосах человека, много думающего, как определили, больше, по сравнению с остальными, цинка и меди. Марганец, свинец, титан, медь и серебро преобладают у тех, у кого цвет волос темный. В седых же волосах содержится лишь никель. Да еще они и с мудростью ассоциируются.

В волосах находят и золото. Причем по его содержанию женщины воистину более драгоценны, чем мужчины. Хотя у Чингисхана якобы имелся целый клок золотых волос на затылке.

Ультрамикроэлементы составляют менее 0,0000001% в организмах живых существ, к ним относят золото, серебро оказывают бактерицидное воздействие, ртуть подавляет обратное всасывание воды в почечных канальцах, оказывая воздействие на ферменты. Так же к ультрамикроэлементам относят платину и цезий. Некоторые к этой группе относят и селен, при его недостатке развиваются раковые заболевания. Селен относится к незаменимым микроэлементам. В тоже время, при передозировке, он сильно токсичен, поэтому его употребление как БАД, вызывает большие дискуссии в кругах учёных.

Функции ультрамикроэлементов еще мало понятны.

• Итак, ребята, что нового вы узнали на уроке?
• Что вам понравилось?
• Что не понравилось?
• Что вас удивило?

Выставление оценок.

Из этого урока вы узнаете о роли минеральных соединений микро - и макроэлементов в жизнедеятельности живых организмов. Вы познакомитесь с водородным показателем среды - рН, узнаете, как этот показатель связан с физиологией организма, каким образом в организме поддерживается постоянный рН среды. Выясните роль неорганических анионов и катионов в процессах обмена веществ, узнаете подробности о функциях катионов Na, K и Са в организме, а также какие другие металлы входят в состав нашего тела и каковы их функции.

Введение

Тема: Основы цитологии

Урок: Минеральные вещества и их роль в жизнедеятельности клетки

1. Введение. Минеральные вещества в клетке

Минеральные вещества составляют от 1 до 1,5% от сырой массы клетки, и находятся в клетки в виде солей дислоцированных на ионы, либо в твердом состоянии (рис. 1).

Рис. 1. Химический состав клеток живых организмов

В цитоплазме любой клетки находятся кристаллические включения, которые представлены слаборастворимыми солями кальция и фосфора; кроме них могут находиться оксид кремния и другие неорганические соединения, которые участвуют в образовании опорных структур клетки - в случае минерального скелета радиолярий - и организма, то есть образуют минеральное вещество костной ткани.

2. Неорганические ионы: катионы и анионы

Неорганические ионы, имеют значение для жизнедеятельности клетки (рис. 2).

Рис. 2. Формулы основных ионов клетки

Катионы - калий, натрий, магний и кальций.

Анионы - хлорид анион, гидрокарбонат анион, гидрофосфат анион, дигидрофосфат анион, карбонат анион, фосфат анион и нитрат анион.

Рассмотрим значение ионов.

Ионы, располагаясь по разные стороны клеточных мембран, образуют так называемый трансмембранный потенциал. Многие ионы неравномерно распределены между клеткой и окружающей средой. Так, концентрация ионов калия (К+) в клетке в 20-30 раз выше, чем в окружающей среде; а концентрация ионов натрия (Na+) в десять раз ниже в клетке, чем в окружающей среде.

Благодаря существованию градиентов концентрации , осуществляются многие жизненно важные процессы, такие как сокращение мышечных волокон, возбуждение нервных клеток, перенос веществ через мембрану.

Катионы влияют на вязкость и текучесть цитоплазмы. Ионы калия уменьшают вязкость и увеличивают текучесть, ионы кальция (Са2+) обладают противоположным действием на цитоплазму клетки.

Анионы слабых кислот - гидрокарбонат анион (НСО3-), гидрофосфат анион (НРО42-) - участвуют в поддержании кислотно-щелочного баланса клетки, то есть pH среды . По своей реакции растворы могут быть кислыми , нейтральными и основными .

Кислотность или основность раствора определяется концентрацией в нем ионов водорода (рис. 3).

Рис. 3. Определение кислотности раствора при помощи универсального индикатора

Эту концентрацию выражают с помощью водородного показателя pH, протяженность шкалы от 0 до 14. Нейтральная среда pH - около 7. Кислая - меньше 7. Основная - больше 7. Быстро определить pH среды можно с помощью индикаторных бумажек, или полосок (см. видео).

Мы опускаем индикаторную бумажку в раствор, затем полоску вынимаем и сразу же сравниваем окрашивание индикаторной зоны полоски с цветами стандартной шкалы сравнения, которая входит в комплект, оценивая схожесть окрашивания и определяя значение pH (см. видео).

3. рН среды и роль ионов в его поддержании

Значение pH в клетке примерно равняется 7.

Изменение pH в ту или иную сторону губительно действует на клетку, поскольку сразу же изменяются биохимические процессы, проходящие в клетке.

Постоянство pH клетки поддерживается благодаря буферным свойствам её содержимого. Буферным называют раствор, который поддерживает постоянное значение pH среды. Обычно буферная система состоит из сильного и слабого электролита: соли и слабого основания или слабой кислоты, которые её образуют.

Действие буферного раствора заключается в том, что он противостоит изменениям pH среды. Изменение pH среды может возникнуть вследствие концентрирования раствора или разбавления его водой, кислотой или щелочью. Когда кислотность, то есть концентрация ионов водорода возрастает, свободные анионы, источником которых служит соль, взаимодействуют с протонами и удаляют их из раствора. Когда кислотность снижается, то усиливается тенденция к освобождению протонов. Таким образом поддерживается pH на определенном уровне, то есть поддерживается концентрация протонов на определенном постоянном уровне.

Некоторые органические соединения, в частности белки, также обладают буферными свойствами.

Катионы магния, кальция, железа, цинка, кобальта, марганца входят в состав ферментов и витаминов (см. видео).

Катионы металлов входят в состав гормонов.

Цинк входит в состав инсулина. Инсулин - это гормон поджелудочной железы, который регулирует уровень глюкозы в крови.

Магний входит в состав хлорофилла.

Железо входит в состав гемоглобина.

При недостатке этих катионов нарушается процессы жизнедеятельности клетки.

4. Ионы металлов как кофакторы

Значение ионов натрия и калия

Ионы натрия и калия распределены по всему объему организма, при этом ионы натрия входят, в основном, в состав межклеточной жидкости, а ионы калия содержатся внутри клеток: 95% ионов калия содержатся внутри клеток , а 95% ионов натрия содержатся в межклеточных жидкостях (рис. 4).

С ионами натрия связано осмотическое давление жидкостей, удержание воды тканями, а также перенос, или транспорт таких веществ как аминокислот и сахара через мембранну.

Значение кальция в организме человека

Кальций является одним из самых распространенных элементов в организме человека. Основная масса кальция входит в состав костей и зубов. Фракция вне костного кальция составляет 1% от общего количества кальция в организме. Внекостный кальций влияет на свертываемость крови, а также нервно-мышечную возбудимость и сокращение мышечных волокон.

Фосфатная буферная система

Фосфатная буферная система играет роль в поддержании кислотно-щелочного баланса организма, кроме этого она поддерживает баланс в просвете канальцев почек, а также внутриклеточной жидкости.

Фосфатная буферная система состоит из дигидрофосфата и гидрофосфата. Гидрофосфат связывает, то есть нейтрализует протон. Дигидрофосфат высвобождает протон и взаимодействует с поступившими в кровь щелочными продуктами.

Фосфатная буферная система входит в буферную систему крови (Рис. 5).

Буферная система крови

В организме человека всегда имеются определенные условия для сдвига нормальной реакции среды ткани, например, крови, в сторону ацидоза (закисления) или алкалоза (раскисления - смещения рН в большую сторону).

В кровь поступают различные продукты, например, молочная кислота, фосфорная кислота, сернистая кислота, образующиеся в результате окисления фосфорорганических соединений либо серосодержащих белков. При этом реакция крови, может сдвигаться в сторону кислых продуктов.

При употреблении мясных продуктов, в кровь поступают кислые соединения. При употреблении растительной пищи, в кровь поступают основания.

Тем не менее, pH крови остается на определенном постоянном уровне.

В крови имеются буферные системы , которые поддерживают pH на определенном уровне.

К буферным системам крови относятся:

Карбонатная буферная система,

Фосфатная буферная система,

Буферная система гемоглобина,

Буферная система белков плазмы (Рис. 6).

Взаимодействие этих буферных систем создает определенное постоянное pH крови.

Таким образом, сегодня мы с вами рассмотрели минеральные вещества и их роль в жизнедеятельности клетки.

Домашнее задание

Какие химические вещества называют минеральными? Каково значение минеральных веществ для живых организмов? Из каких веществ в основном состоят живые организмы? Какие катионы входят в состав живых организмов? Каковы их функции? Какие анионы входят в состав живых организмов? Какова их роль? Что такое буферная система? Какие буферные системы крови вам известны? С чем связано содержание минеральных веществ в организме?

1. Химический состав живых организмов.

2. Википедия.

3. Биология и медицина.

4. Образовательный центр.

Список литературы

1. Каменский А. А., Криксунов Е. А., Пасечник В. В. Общая биология 10-11 класс Дрофа, 2005.

2. Биология. 10 класс. Общая биология. Базовый уровень / П. В. Ижевский, О. А. Корнилова, Т. Е. Лощилина и др. - 2-е изд., переработанное. - Вентана-Граф, 2010. - 224 стр.

3. Беляев Д. К. Биология 10-11 класс. Общая биология. Базовый уровень. - 11-е изд., стереотип. - М.: Просвещение, 2012. - 304 с.

4. Агафонова И. Б., Захарова Е. Т., Сивоглазов В. И. Биология 10-11 класс. Общая биология. Базовый уровень. - 6-е изд., доп. - Дрофа, 2010. - 384 с.

Клетка - это не только структурная единица всего живого, своеобразный кирпичик жизни, но и маленькая биохимическая фабрика, на которой каждую долю секунды происходят различные превращения и реакции. Так формируются необходимые для жизни и роста организма структурные компоненты: минеральные вещества клетки, вода и органические соединения. Поэтому очень важно знать, что будет, если какого-то из них не хватит. Какую роль играют различные соединения в жизни этих крошечных, не видимых невооруженным глазом, структурных частичек живых систем? Постараемся разобраться в этом вопросе.

Классификация веществ клетки

Все соединения, составляющие массу клетки, формирующие ее структурные части и отвечающие за ее развитие, питание, дыхание, пластический и нормальное развитие, можно разделить на три большие группы. Это такие категории, как:

• органические;
• неорганические вещества клетки (минеральные соли);
• вода.

Часто последнюю относят ко второй группе неорганических компонентов. Кроме этих категорий, можно обозначить те, которые складываются из их сочетания. Это металлы, входящие в состав молекулы органических соединений (например, молекула гемоглобина, содержащая ион железа, является белковой по своей природе).

Минеральные вещества клетки

Если говорить конкретно о минеральных или неорганических соединениях, входящих в состав каждого живого организма, то они также неодинаковы и по природе, и по количественному содержанию. Поэтому имеют свою классификацию.

Все неорганические соединения можно разделить на три группы.

1. Макроэлементы. Те, содержание которых внутри клетки больше 0,02% от общей массы неорганических веществ. Примеры: углерод, кислород, водород, азот, магний, кальций, калий, хлор, сера, фосфор, натрий.
2. Микроэлементы - меньше 0,02%. К ним относятся: цинк, медь, хром, селен, кобальт, марганец, фтор, никель, ванадий, йод, германий.
3. Ультрамикроэлементы - содержание меньше 0,0000001%. Примеры: золото, цезий, платина, серебро, ртуть и некоторые другие.

Также можно особенно выделить несколько элементов, которые являются органогенными, то есть составляют основу органических соединений, из которых построено тело живого организма. Это такие элементы, как:

• водород;
• азот;
• углерод;
• кислород.

Они выстраивают молекулы белков (основы жизни), углеводов, липидов и прочих веществ. Однако за нормальное функционирование организма отвечают так же и минеральные вещества. Химический состав клетки исчисляется десятками элементов из таблицы Менделеева, которые являются залогом успешной жизнедеятельности. Лишь около 12 из всех атомов не играют роли совсем либо она ничтожно мала и не изучена.

Особенно важны некоторые соли, которые должны поступать в организм с пищей каждый день в достаточном количестве, чтобы не развивались различные болезни. Для растений это, например, натриевая Для человека и животных это соли кальция, поваренная соль как источник натрия и хлора и др..

Вода

Минеральные вещества клетки объединяются с водой в общую группу поэтому не сказать о ее значении нельзя. Какую роль она играет в организме живых существ? Огромную. В начале статьи мы сравнивали клетку с биохимической фабрикой. Так вот, все ежесекундно происходящие превращения веществ осуществляются именно в водной среде. Она - универсальный растворитель и среда для химических взаимодействий, процессов синтеза и распада.

Кроме того, вода входит в состав внутренней среды:

• цитоплазмы;
• клеточного сока у растений;
• крови у животных и человека;
• мочи;
• слюны прочих биологических жидкостей.

Обезвоживание означает смерть для всех организмов без исключения. Вода - это среда жизни для огромного количества разнообразных представителей флоры и фауны. Поэтому переоценить значение этого сложно, оно поистине безгранично велико.

Макроэлементы и их значение

Минеральные вещества клетки для ее нормальной работы имеют большое значение. В первую очередь это касается как раз макроэлементов. Роль каждого из них подробно изучена и давно установлена. Какие атомы составляют группу макроэлементов, мы уже выше перечисляли, поэтому повторяться не будем. Кратко обозначим роль основных из них.

1. Кальций. Соли его необходимы для поставки в организм ионов Са 2+ . Сами ионы участвуют в процессах остановки и свертывания крови, обеспечивают экзоцитоз клетки, а также мышечные сокращения, в том числе сердечные. Нерастворимые соли - основа крепких костей и зубов животных и человека.
2. Калий и натрий. Поддерживают состояние клетки, формируют натриево-калиевый насос работы сердца.
3. Хлор - участвует в обеспечении электронейтральности клетки.
4. Фосфор, сера, азот - являются составными частями многих органических соединений, а также принимают участие в работе мышц, составе костей.

Конечно, если рассматривать каждый элемент более подробно, то можно многое сказать и о его избытке в организме, и о недостатке. Ведь и то и другое вредно и приводит к заболеваниям различного рода.

Микроэлементы

Роль минеральных веществ в клетке, которые относятся к группе микроэлементов, также велика. Несмотря на то что их содержание очень мало в клетке, без них она не сможет долго нормально функционировать. Самыми главными из всех перечисленных выше атомов в этой категории являются такие как:

• цинк;
• медь;
• селен;
• фтор;
• кобальт.

Нормальный уровень йода необходим для поддержания работы щитовидной железы и выработки гормонов. Фтор нужен организму для укрепления эмали зубов, а растениям - для сохранения эластичности и насыщенной окраски листьев.

Цинк и медь - это элементы, входящие в состав многих ферментов и витаминов. Они выступают важными участниками процессов синтеза и пластического обмена.

Селен - активный участник процессов регуляции, является необходимым для работы эндокринной системы элементом. Кобальт же имеет другое название - витамин В 12 , а все соединения данной группы крайне важны для иммунной системы.

Поэтому функции минеральных веществ в клетке, которые образованы микроэлементами нисколько не меньше, чем те, что выполняют макроструктуры. Поэтому важно потреблять и те и другие в достаточном количестве.

Ультрамикроэлементы

Минеральные вещества клетки, которые образованы ультрамикроэлементами, играют не столь значительную роль, как вышеупомянутые. Однако длительный их недостаток может приводить к развитию очень неприятных, а иногда и весьма опасных для здоровья последствий.

Например, селен относят и к данной группе тоже. Его длительная нехватка провоцирует развитие раковых опухолей. Поэтому он считается незаменимым. А вот золото и серебро - это металлы, которые оказывают отрицательное воздействие на бактерии, уничтожая их. Поэтому внутри клетки играют бактерицидную роль.

Однако в целом следует сказать, что функции ультрамикроэлементов еще не до конца раскрыты учеными, и значение их остается пока неясным.

Металлы и органические вещества

Многие металлы входят в состав органических молекул. Например, магний - кофермент хлорофилла, необходимого для фотосинтеза растений. Железо - часть молекулы гемоглобина, без которого невозможно осуществлять дыхание. Медь, цинк, марганец и прочие - части молекул ферментов, витаминов и гормонов.

Очевидно, что все эти соединения важны для организма. Отнести их полностью к минеральным нельзя, однако частично все же следует.

Минеральные вещества клетки и их значение: 5 класс, таблица

Чтобы обобщить то, что было нами сказано в течение статьи, составим общую таблицу, в которой отразим, какие бывают минеральные соединения и зачем они нужны. Использовать ее можно при объяснении данной темы школьникам, например, в пятом классе обучения.

Таким образом, минеральные вещества клетки и их значение будут усвоены школьниками в курсе основной ступени обучения.

Последствия нехватки минеральных соединений

Когда мы говорим о том, что роль минеральных веществ в клетке важна, то должны привести примеры, доказывающие этот факт.

Перечислим некоторые заболевания, которые развиваются при недостатке или избытке каких-либо из обозначенных в ходе статьи соединений.

1. Гипертония.
2. Ишемия, сердечная недостаточность.
3. Зоб и другие заболевания щитовидной железы (Базедова болезнь и прочие).
4. Анемия.
5. Неправильный рост и развитие.
6. Раковые опухоли.
7. Флюороз и кариес.
8. Заболевания крови.
9. Расстройство мышечной и нервной системы.
10. Нарушение пищеварения.

Конечно, это далеко не полный список. Поэтому необходимо тщательно следить за тем, чтобы ежедневный рацион питания был правильным и сбалансированным.

Клетка состоит из органических и минеральных веществ.

Минеральный состав клеток

Из неорганических веществ в состав клетки входят 86 элементов Периодической таблицы, около 16-18 элементов жизненно необходимы для нормального существования живой клетки.

Среди элементов выделяют: органогены, макроэлементы, микроэлементы и ультрамикроэлементы.

Органогены

Это вещества, из которых состоят органические вещества: кислород, углерод, водород и азот.

Кислород (65-75%) - содержится в огромном количестве органических молекул - белках, жирах, углеводах, нуклеиновых кислотах. В виде простого вещества (О2) образуется в процессе оксигенного фотосинтеза (цианобактерии, водоросли, растения).

Функции: 1. Кислород - сильный окислитель (окисляет глюкозу в процессе клеточного дыхания, в процессе выделяется энергия)

2. Входит в состав органических веществ клетки

3. Входит в состав молекулы воды

Углерод (15-18%) - является основой строения всех органических веществ. В виде углекислого газа выделяется в процессе дыхания, а поглощается в процессе фотосинтеза. Может быть в виде СО - угарного газа. В виде карбоната кальция (СаСО3) входит в состав костей.

Водород (8 - 10%) - как и углерод входит в состав любого органического соединения. А еще входит в состав воды.

Азот (2 - 3%) - входит в состав аминокислот, а значит и белков, нуклеиновых кислот, некоторых витаминов и пигментов. Фиксируется бактериями из атмосферы.

Макроэлементы

Магний (0,02 - 0,03%)

1. В клетке - входит в состав ферментов, участвует в синтезе ДНК и энергетическом обмене

2. У растений - входит в состав хлорофилла

3. У животных - входит в состав ферментов, участвующих в функционировании мышечной, нервной и костной тканей.

Натрий (0,02 - 0,03%)

1. В клетке - входит в состав калиево-натриевых каналов и насосов

2. У растений - участвует в осмосе, что обеспечивает поглощение воды из почвы

3. У животных - участвует в работе почек, поддержании сердечного ритма, входит в состав крови (NaCl), помогает поддерживать кислотно-щелочной баланс

Кальций (0,04 - 2,0%)

1. В клетке - участвует в избирательной проницаемости мембраны, в процессе соединения ДНК с белками

2. У растений - образует соли пектиновых веществ, придает твердость межклеточному веществу, соединяющему растительные клетки, а также участвует в формировании межклеточных контактов

3. У животных - входит в состав костей позвоночных, раковин моллюсков и коралловых полипов, участвует в образовании желчи, повышает рефлекторную возбудимость спинного мозга и центра слюноотделения, участвует в синаптической передаче нервного импульса, в процессах свертывания крови, является необходимым фактором сокращения поперечно-полосатой мускулатуры

Железо (0,02%)

1. В клетке - входит в состав цитохромов

2. У растений - участвует в синтезе хлорофилла, входит в состав ферментов, участвующих в дыхании, входят в состав цитохромов

3. У животных - входит в состав гемоглобина

Калий (0,15 - 0,4%)

1. В клетке - поддерживает коллоидные свойства цитоплазмы, входит в состав калиево-натриевых насосов и каналов, активизирует ферменты, участвующие в синтезе белка при гликолизе

2. У растений - участвует в регуляции водного обмена и фотосинтеза

3. Нужен для правильного сердечного ритма, участвует в проведении нервного импульса

Сера (0,15 - 0,2%)

1. В клетке - входит в состав некоторых аминокислот - цитина, цистеина и метионина, образует дисульфидные мостики в третичной структуре белка, входит в состав некоторых ферментов и кофермента А, входит в состав бактериохлорофилла, некоторые хемосинтетики используют соединения серы для получения энергии

2. У животных - входит в состав инсулина, витамина В1, биотина

Фосфор (0,2 - 1,0%)

1. В клетке - в виде остатков фосфорной кислоты входит в состав ДНК, РНК, АТФ, нуклеотидов, коферментов НАД, НАДФ, ФАД, фосфорилированных сахаров, фосфолипидов и многих ферментов, в составе фосфолипидов образует мембраны

2. У животных - входит в состав костей, зубов, у млекопитающих является компонентом буферной системы, поддерживает кислотный баланс тканевой жидкости относительно постоянным

Хлор (0,05 - 0,1%)

1. В клетке - участвует в поддержании электронейтральности клетки

2. У растений - участвует в регуляции тургорного давления

3. У животных - участвует в формировании осмотического потенциала плазмы крови, также в процессах возбуждения и торможения в нервных клетках, входит в состав желудочного сока в виде соляной кислоты

Микроэлементы

Медь

1. В клетке - входит в состав ферментов, участвующих в синтезе цитохромов

2. У растений - входит в состав ферментов, участвующих в реакциях темновой фазы фотосинтеза

3. У животных - участвует в синтезе гемоглобина, у беспозвоночных входит в состав гемоцианинов - переносчиков кислорода, у человека - входит в состав пигмента кожи - меланина

Цинк

1. Участвует в спиртовом брожении

2. У растений - входит в состав ферментов, участвующих в расщеплении угольной кислоты и в синтезе растительных гормонов-ауксинов

Йод

1. У позвоночных - входит в состав гормонов щитовидной железы (тироксин)

Кобальт

1. У животных - входит в состав витамина В12 (принимает участие в синтезе гемоглобина), его недостаток приводит к анемии

Фтор

1. У животных - придает прочность костям и зубной эмали

Марганец

1. В клетке - входит в состав ферментов, участвующих в дыхании, окислении жирных кислот, повышает активность карбоксилазы

2. У растений - в составе ферментов участвует в темновых реакциях фотосинтеза и в восстановлении нитратов

3. У животных - входит в состав фосфатаз-ферментов, необходимых для роста костей

Бром

1. В клетке - входит в состав витамина В1, который участвует в расщеплении пировиноградной кислоты

Молибден

1. В клетке - в составе ферментов участвует в фиксации атмосферного азота

2. У растений - в составе ферментов участвует в работе устьиц и ферментов, участвующих в синтезе аминокислот

Бор

1. Влияет на рост растений