Интегрированный урок клетке» (10 класс)

Интегрированный урок
по теме «Химический состав клетки. Неорганические вещества и их роль в
клетке» (10 класс)
Учитель биологии: Калугина С.В., МОУ «СОШ № 26»
Задачи урока:
1. Расширить знания старшеклассников о химическом составе
внутренней среды; строении и значении в жизни клетки различных
неорганических соединений (на примере воды и минеральных солей).
2. Научить школьников выявлять связь между составом, строением
молекулы, химического соединения и его функциями в клетке.
3. Убедить учащихся в том, что для понимания сущности протекающих
в клетке процессов необходимы знания из разных областей естественных
наук (биологии, химии, физики).
Оборудование: презентация.
Ход урока:
1. Орг. Момент.
2. Изучение нового материала.
– Одним из основных общих признаков живых организмов является
единство их элементарного химического состава. Независимо от того, к
какому царству, типу или классу принадлежит то или иное живое существо, в
состав его тела входят одни и те же, так называемые универсальные
химические элементы. Сходство в химическом составе разных клеток
свидетельствует о единстве их происхождения. Но количественное
содержание тех или иных элементов в живых организмах и в окружающей их
неживой среде существенно отличается.
– Что такое химический элемент? (Химический элемент – это
определенные вид атомов с одинаковым зарядом ядра.)
Какие химические элементы преобладают в земной коре? (Кислород,
кремний, алюминий, железо, магний, натрий, кальций – эти элементы
составляют ≈ 98% массы земной коры) (презентация, 2 слайд)
А какие химические элементы преобладают в живых организмах?
(слайд 3)
В клетках живых организмов встречается 90 различных химических
элементов, из них 25 обнаружены практически во всех клетках. Эти
химические элементы необходимы для их жизнедеятельности. Остальные
элементы, вероятно, попадают в организм с водой, пищей, воздухом и не
участвуют в жизнедеятельности.
Задача: (слайд 4) Подсчитайте, сколько в человеке массой 85 кг будет
составлять каждый элемент. ( Ответ: (слайд 5) кислород – 59,5 кг; углерод –
13,6 кг; водород – 7,65 кг; азот – 2, 125кг; кальций – 0, 85 кг; фосфор –
0,425кг; калий – 0,255 кг.)
Мы с вами выяснили, какова масса биогенов в организме человека
определенной массы. Давайте посмотрим какие еще элементы есть в живых
организмах.
По количественному содержанию в живых системах все химические
элементы подразделяются на четыре группы: макроэлементы, мезоэлементы,
микроэлементы, ультрамикроэлементы. (слайд 6)
Ультрамикроэлементы – бор, бром, серебро, золото, селен, мышьяк и
др. Эти элементы составляют менее 0,000001%. Функции
ультрамикроэлементов еще полностью не изучены, имеются лишь отдельные
сведения о них: например, выяснено, что недостаток селена приводит к
развитию раковых заболеваний.
Обратимся к таблице и посмотрим роль в организме некоторых
элементов-биогенов. (слайд 7)
Химический
элемент
Углерод,
водород,
кислород, азот
Вещества, в которых
химический элемент
содержится
Белки, нуклеиновые
кислоты, липиды,
углеводы и др.
органические вещества
Калий, натрий
Na+ и K+
Кальций
Са+2
Фосфат кальция,
карбонат кальция
Пектат кальция
Магний
Сера
Хлорофилл
Белки
Фосфор
Нуклеиновые кислоты,
АТФ
Cl-
Хлор
HCl
Процессы, в которых химический
элемент участвует
Синтез органических веществ и весь
комплекс функций, осуществляемых
этими органическими веществами
Обеспечивание функции мембран, в
частности, поддержание
электрического потенциала клеточной
мембраны, работы Na+/Ka+-насоса,
проведение нервных импульсов,
анионный, катионный и осмотический
балансы
Участие в процессе свертывания крови
Костная ткань, зубная эмаль,
раковины моллюсков
Формирование срединной пластинки и
клеточной стенки у растений
Фотосинтез
Формирование пространственной
структуры белка за счет образования
дисульфидных мостиков
Синтез нуклеиновых кислот
Поддержание электрического
потенциала клеточной мембраны,
работы Na+/Ka+-насоса, проведение
нервных импульсов, анионный,
катионный и осмотический балансы
Активизация пищеварительных
Железо
Гемоглобин
Цитохромы
Марганец
Декарбоксилазы,
дегидрогеназы
Гемоцианин
Медь
Кобальт
Цинк
Фтор
Йод
Молибден
ферментов желудочного сока
Транспорт кислорода
Перенос электронов при фотосинтезе и
дыхании
Окисление жирных кислот, участие в
процессах дыхания и фотосинтеза
Транспорт кислорода у некоторых
беспозвоночных
Тирозиназа
Образование меланина
Витамин В12
Формирование эритроцитов
Алькогольдегидрогеназа Анаэробное дыхание у растений
Карбоангидраза
Транспорт СО2 у позвоночных
Фторид кальция
Костная ткань, зубная эмаль
Тироксин
Регуляция основного обмена
Нитрогеназа
Фиксация азота
Учитель обращает внимание учащихся на то, что именно
макроэлементы – кислород, углерод, водород и азот – обеспечивает
большинство функций в организме, и задает вопрос:
– Почему данные элементы-биогены подходят для выполнения
биологических функций?
Учащиеся из курса химии вспоминают о строении атомов биогенов, их
расположении в первых периодах периодической системы Д.И.Менделеева,
их общих свойствах – способности к образованию ковалентных связей
посредством спаривания электронов с отдачей или присоединением при этом
от одного до шести электронов. Кроме того, органеллы могут легко
реагировать друг с другом, образуя при этом разнообразные химические
соединения. Эти элементы имеют малую атомную массу (относительно
малый радиус), то есть они сочетают легкость с прочностью ковалентных
связей между ними. (слайд 8)
Ковалентно связанные атомы углерода образуют «каркас»
органических молекул, на котором как бы «крепятся» разнообразные
функциональные группы, содержащие водород, кислород, серу, азот и другие
элементы. Отсюда можно сделать вывод, что свойства органогенов так
разнообразны, что названных элементов достаточно для образования
множества органических молекул. Следовательно, атомы, из которых состоят
вещества клетки и неживой природы, идентичны. Это указывает на тесную
связь и единство живой и неживой природы.
Содержание тех или иных элементов в организме определяется не
только особенностями данного организма, но также составом среды, в
которой он обитает, и той пищей, которую он использует. Геологическая
история нашей планеты, особенности почвообразовательных процессов
привели к тому, что на поверхности Земли сформировались области, которые
отличаются друг от друга по содержанию химических элементов. Резкий
недостаток или, наоборот, избыток какого-либо химического элемента
вызывает в пределах таких зон возникновение биогеохимических эндемий –
заболеваний растений, животных и человека.
Во многих районах нашей страны – на Урале и Алтае, в Приморье и в
Ростовской области количество йода в почве и воде значительно снижено.
Если человек не получает с пищей нужного количества йода, у него
снижается синтез тироксина. Щитовидная железа, пытаясь компенсировать
нехватку гормона, разрастается, что приводит к образованию так
называемого эндемического зоба. Особенно тяжелые последствия от
недостатка йода возникает у детей. Сниженное количество тироксина
приводит к резкому отставанию в умственном и физическом развитии. Чтобы
предотвратить заболевания щитовидной железы, врачи рекомендуют
подсаливать
пищу специальной солью, обогащенной иодидом калия,
употреблять рыбные блюда и морскую капусту.
Одни и те же химические элементы входят в состав как неорганических
веществ (воды и минеральных солей), характерных и для живых организмов
и существующих в неживой природе, так и органических веществ –
углеводов, липидов, белков, нуклеиновых кислот, витаминов и др.,
характерных только для живых организмов.
Рассмотрим самое распространенное в живых организмах
неорганическое соединение – воду, её роль в клетке.
Вода абсолютно необходима для всех известных форм жизни – не
случайно человеческое тело на 60–70 % состоит из воды. Кроме того, она
является средой обитания для многих организмов. Содержание воды в
организме колеблется:
 В слюне, желудочном соке, грудном молоке содержится 90 – 99%.
 В клетках развивающего зародыша её более 90%.
 В крови – около 83%.
 Клетки взрослого организма – 80%.
 В костях всего лишь 15 – 20%.
Время обновления количества воды, равного весу тела, колеблется в
зависимости от окружающей среды, к которой адаптирован организм; для
амебы оно составляет 7 дней; для человека 4 недели; для верблюда 3 месяца;
для черепахи 1 год; для кактуса 29 лет.
Чтобы получить
Нужно воды
1 кг. подсолнечника
200 – 250 кг.
1 кг. пшеницы
15000 кг.
1 кг. риса
7000 кг.
1 кг. хлопка
10000 кг.
1 кг. соды
10 кг.
1 кг. хлопчатобумажных тканей
1100 кг.
1 кг. синтетических тканей
500 – 3000 кг.
1 кг. бумаги
400 кг.
1 кг. вольфрама
2500 кг
1 кг. стали
20 кг.
1 кг. сахара
3 кг.
Вода играет очень важную роль в жизни любого живого организма. Следует
помнить основные свойства и функции воды.
Давайте вспомним физические свойства воды.
Вода – это бесцветная прозрачная жидкость, без цвета, запаха и вкуса,
максимальная плотность — при 4 °С, высокая теплоемкость, практически не
сжимается; чистая вода плохо проводит тепло и электричество, замерзает при
0 °С, кипит при 100 °С, обладает высокой испаряемостью за счет слабых
водородных связей, текучесть.
Какие химические элементы входят в состав молекулы воды?
Напишите молекулярную формулу, структурную, электронную.
Какая химическая связь в молекуле воды? (полярная, неполярная?)
Чему равен угол между атомами водорода и кислорода? (104,5ᵒ)
Диполь. (Атом кислорода сильно электроотрицательный по отношению
к атому водорода, что обеспечивает полярность ковалентной связи; при этом
кислород оттягивает на себя электроны общей электронной пары.
Следовательно кислород отрицательно заряжен, а водород – положительно.
Между атомами О и Н соседних молекул возникает водородная связь).
Каковы химические свойства воды? (хороший растворитель, реагируют
с металлами, оксидами, гидролиз солей и органических соединений; по
отношению к способности растворяться в воде различают: гидрофильные
вещества — хорошо растворимые, гидрофобные вещества — практически
нерастворимые в воде.)
Свойства воды в живом организме:
 Текучесть;
 Вода – хороший растворитель;
 Высокая теплопроводность и теплоемкость;
 Высокая испаряемость за счет слабых водородных связей;
 Гидролиз – разложение под действием воды;
 Высокая сила поверхностного натяжения воды.
Функции воды в живом организме:
 является средой обитания для многих организмов,
 является основой внутренней и внутриклеточной среды;
 вода обеспечивает тургор клетки, гидроскелет; обеспечивает
поддержание пространственной структуры,
 транспорт крови, межклеточного вещества, цитоплазмы, лимфы;
 служит растворителем и средой для диффузии; пищеварение, многие
химические реакции в организме идут с растворенными в воде
веществами;
 регуляция тепла в организме; способствует охлаждению организма,
 гидратирует полярные молекулы,
 участвует в реакциях фотосинтеза и гидролиза,
 способствует миграциям и распространению семян, плодов,
личиночных стадий,
 является средой, в которой происходит оплодотворение,
 у растений обеспечивает транспирацию и прорастание семян,
 способствует равномерному распределению тепла в организме и мн.
др.
Другие неорганические соединения клетки
Другие неорганические соединения представлены в основном солями,
которые могут содержаться или в растворенном виде (диссоциированными
на катионы и анионы), или твердом. Важное значение для жизнедеятельности
клетки имеют катионы K+, Na+, Ca2+, Mg2+ и анионы HPO42—, Cl—, HCO3—,
Многие ионы неравномерно распределены между клеткой и
окружающей средой, так, например, в цитоплазме концентрация ионов калия
в 20 – 30 раз выше, чем с наружи, а концентрация ионов внутри клетки,
наоборот, в 10 раз ниже. Именно благодаря существованию подобных
градиентов концентраций осуществляются многие важные процессы
жизнедеятельности, такие как возбуждение нервных клеток, сокращение
мышечных волокон. После гибели клетки концентрация катионов снаружи и
внутри быстро выравнивается.
Анионы слабых кислот (НСО3-, НРО42-) обеспечивают буферные
свойства клетки. Буферность — способность поддерживать рН на
определенном уровне (рН — десятичный логарифм величины, обратной
концентрации водородных ионов). Величина рН, равная 7,0, соответствует
нейтральному, ниже 7,0 — кислому, выше 7,0 — щелочному раствору. Для
клеток и тканей характерна слабощелочная среда. За поддержание этой
слабощелочной реакции отвечают фосфатная (1) и бикарбонатная (2)
буферные системы:
Низкий рН ⇔ Высокий рН
(1)
2—
+
—
НРО4 + Н
Н2РО4
Гидрофосфат
Дигидрофосфат
Низкий рН ⇔ Высокий рН
(2)
—
+
НCО3 + Н
Н2CО3
Гидрокарбонат Угольная кислота
В твердом нерастворенном состоянии находятся в костной ткани, в
раковинах моллюсков карбонаты и фосфаты кальция и магния, в зубной
эмали — фторид кальция и т.д.
Закрепление:
По предложенной схеме назовите слово:
А) __ __ Л __ __ __ __ С __ __
Характерная черта молекулы воды (полярность);
Б) __ О __ __ __ __ __ __ Н __ __
Вид химической связи внутри молекулы воды (ковалентная);
В) __ __ Д __ О __ И __ __ __ __ Е
Вещества, хорошо растворимые в воде (гидрофильные);
Г) __ А __ __ __ __
Результат диссоциации солей в клетке (катион).
Домашнее задание: п.6–8 читать и отвечать на вопросы