Неорганические вещества в клетке - КЛЕТКА КАК СТРУКТУРНАЯ ЕДИНИЦА ОРГАНИЗМА

Постановка проблемы урока

Обыватель:Все физические тела построены из одних и тех же химических элементов.

Биолог:Да, но я легко могу отличить останки живых организмов от неживых тел.

Обыватель:Какой-то фокус?

Биолог:Нет, это не фокус. Элементы одни и те же, а их соотношение другое.

• В чём противоречие? На какой вопрос мы будем искать ответ? Предложите свой и сравните с вариантом авторов на с. 396.

Необходимые базовые знания

• Какие элементы составляют основу живых организмов? (9 класс)

• Чем отличаются молекулы органических веществ от неорганических? (Химия)

• Почему в составе живых организмов преобладают кислород, углерод, водород и азот? (9 класс)

• Что такое теплоёмкость воды? (Физика)

Решение проблемы

Химический состав клетки

• Какие химические элементы среды накапливаются в организмах?

6.1. Распространение элементов в земной коре (А) и в организмах (Б)

• Почему соотношение химических элементов в живой и неживой природе различно?

Живая и неживая природа едины. Химических элементов, свойственных исключительно живой природе, не обнаружено. В составе живых организмов выявлено около 80 элементов — все химические элементы,

присутствующие на планете в сколько-нибудь значительном количестве. Около 20 из них необходимы для жизни и встречаются практически в каждой клетке.

Элементы, постоянно входящие в состав живых организмов, называютбиогенными.Кроме кислорода и водорода, наиболее важны углерод, азот, кальций, калий, фосфор, магний, сера, хлор, натрий - универсальные составляющие всех организмов. Некоторые элементы важны лишь для отдельных групп организмов: бор - для растений, ванадий - для асцидий (низших хордовых) и т.п.

Макроэлементы

• Какую роль в организме играют макроэлементы?

Все элементы, входящие в состав живых организмов, по их количеству можно условно разделить на три группы. Содержаниемакроэлементовсоставляет примерно 99% живой массы. При этом 96%) приходится всего на 4 элемента:О, Н, С, N.Кислород и водород в составе воды образуют все растворы в организме. Вместе с углеродом они составляют структурную основу молекул жиров и углеводов. В сочетании с азотом и фосфором они необходимы для белков и нуклеиновых кислот.

6.2. Части живых организмов, образованных минеральными веществами: А — череп позвоночного животного, состоящий из карбоната и фосфата кальция; Б — раковины морских простейших радиолярий, построенных из сульфата стронция

• Нерастворимые соли каких элементов образуют скелеты животных и механические элементы тканей растений?

Другие макроэлементы, хотя и менее значительны по массе (приблизительно 3%), входят в состав большинства молекул. Это фосфор, сера, калий, магний, натрий, кальций, железо и другие. Их роль в обмене веществ велика, и они, как правило, участвуют в выполнении нескольких функций. Например, ионы кальция регулируют реакции, протекающие в цитоплазме клеток, а его нерастворимые соли входят в состав механических тканей (костей и др.). Потребность в макроэлементах велика: например, человеку необходимо получать их в количестве нескольких граммов в сутки.

6.3. Листья розы с признаками недостатка минеральных веществ

• Почему недостаток какого-либо элемента может привести к заболеванию и даже гибели организма?

Микроэлементы

• Почему микроэлементы так же необходимы, как макроэлементы?

Кмикроэлементамотносят элементы, содержание которых в живом веществе мало, но они необходимы для жизнедеятельности. Для человека обязательны около 30 микроэлементов как металлов (алюминий, медь, марганец, цинк, молибден, кобальт и др.), так и неметаллов (иод, селен, бром и др.).

Микроэлементы входят в состав многих ферментов. Медь участвует в катализе окислительно-восстановительных процессов, а у моллюсков, кроме того, — в переносе кислорода в составе белка гемоцианина. Последний является функциональным аналогом нашего гемоглобина, который содержит железо. Значительное число ферментов с разнообразным механизмом действия содержат ионы цинка, марганца, кобальта и молибдена.

Бор влияет на рост растений, кобальт входит в состав витамина В₁₂, иод - в состав гормонов щитовидной железы, а фтор входит в состав костей и эмали зубов. Недостаток этих элементов ведёт к нарушениям обмена веществ и может сказываться на росте организмов (марганец, цинк, иод), кроветворении (железо, медь, кобальт), процессах тканевого дыхания (медь, цинк). Суммарная суточная доза микроэлементов для человека — менее 200 мг.

Таблица 1.Содержание некоторых химических элементов в клетке(в % на сухую массу)

Элемент	Количество
Кислород	65-75
Углерод	15-18
Водород	8-10
Азот	1,5-3,0
фосфор	0,2-1,0
Натрий	0,02-0,03
Калий	0,15-0,4
Кальций	0,04-2
Магний	0,02-0,03
Сера	0,15-0,2
Хлор	0,05-0,1
Железо	0,01-0,015
Йод	0,0001

Присутствуют в организме и элементы, чья концентрация не превышает 0,000001%, поэтому их называютультрамикроэлементами.Человек потребляет только несколько микрограммов этих веществ в сутки. К ним относятся уран, радий, золото, ртуть, бериллий, цезий и другие. К числу важных относят, например, ванадий, который, по-видимому, участвует в некоторых окислительных процессах. Фиксацию атмосферного азота бобовыми растениями стимулирует присутствие трёх ультрамикроэлементов: молибдена, кобальта и ванадия. Глобальное значение этого процесса трудно переоценить, поскольку именно таким путём неорганический азот становится доступным для большинства животных и растений на Земле.

Как видим, необходимость элемента не всегда отражается количеством, в котором он присутствует в организме. Так, содержание йода в клетках ничтожно мало, но его ничем нельзя заменить. При недостатке йода в продуктах питания задерживается рост и развитие детей.

В растения и микроорганизмы химические элементы поступают из почвы и воды, в организм животных и человека — с водой и пищей. Это преимущественно те элементы, которые находятся в окружающей среде в форме подвижных, легкоусвояемых (водорастворимых) соединений. На развитие и жизнедеятельность организмов негативно влияет как недостаток, так и избыток микроэлементов. Эти нарушения приводят к заболеваниям у растений и животных. Например, недостаток меди ведёт к высыханию вершин у плодовых деревьев; нарушению образования плодов у злаков, цитрусовых и других растений; расстройствам координации движений у овец. Избыток меди может вызвать у человека цирроз печени.

• Пользуясь таблицей, попробуйте объяснить различия в химическом составе морских и наземных животных и растений.

Таблица 2. Содержание химических элементов в организмах (в мг на 100 г сухого вещества)

Химический элемент	Растения		Животные		Бактерии
	морские	наземные	морские	наземные
С	34500	45400	40000	46500	54000
О	47000	41000	40000	18600	23000
N	1500	3000	7500	10000	7400
H	4100	5500	5200	7000	7400
Са	1000	1800	150-2000	20-8500	510
Na	3300	120	400-4800	400	460
К	5200	1400	500-3000	740	11500
Р	350	230	400-1800	1700-4400	3000
Сu	1	1,4	0,4-5	0,24	4,2

Многие элементы присутствуют в клетке в виде ионов, причём ионный состав внутри клетки и снаружи значительно различается. Так, в тканях человека концентрация ионов К⁺внутри клетки очень высока, а Nа⁺низка. В межклеточном пространстве, наоборот, низка концентрация К⁺и высока - Nа⁺. Образуется разность потенциалов, благодаря которой нервная или мышечная клетка может передавать элетрический сигнал (возбуждение). В погибшей клетке концентрация ионов по обе стороны мембраны выравнивается.

Вода

• Какие уникальные свойства воды превращают её в источник жизни?

Неорганическое соединение, которое живая клетка содержит в наибольшем количестве и без которого немыслимо само существование жизни, — это вода. Её уникальные свойства определяются строением молекулы. Атом кислорода оттягивает на себя электронную плотность, и на нём образуется частичный отрицательный заряд, в то время как на атомах водорода — частичный положительный заряд. Неравномерное распределение зарядов делает молекулу полярной. Такую молекулу называют диполем.

Между положительным и отрицательным зарядами соседних молекул возникает электростатическое притяжение. Так образуется водородная связь, с помощью которой молекулы воды объединяются в пространственную решетку. Эти связи, более слабые, чем ионные или ковалентные, постоянно образуются и рвутся. Несмотря на слабость, они во многом определяют биологические свойства воды.

6.4. Образование водородных связей в воде

• Какие свойства приобретает вода благодаря водородным связям между молекулами?

Если в воду попадают другие молекулы, также несущие частичные заряды, молекулы воды взаимодействуют с ними. Эти вещества называютсягидрофильными.Так, кристаллы поваренной соли “растаскиваются” в воде на ионы и растворяются. В других веществах связи между атомами оказываются более сильными, и молекулы воды растворяют их, “облепляя” их поляризованные участки, но не нарушая структуры молекул. Таким образом, вода - превосходный растворитель для веществ, содержащих заряженные или полярные группы (зачастую наряду с неполярными). Таковы аминокислоты, АТФ, ДНК, РНК, многие белки. Большинство биохимических реакций клетки протекает в водном растворе, например, в цитоплазме. Участвующие в реакциях низкомолекулярные вещества свободно перемещаются (диффундируют) и взаимодействуют между собой, с биополимерами и структурами клетки.

Гидрофобныевещества,в противоположность гидрофильным, не имеют зарядов на поверхности молекулы и не взаимодействуют с молекулами воды. Образуя водородные связи между собственными молекулами, вода как бы отторгает их. Поэтому, оказавшись в воде, молекулы неполярных веществ (например, липиды и в том числе жиры) притягиваются друг к другу, образуя плёнки или капли. Такие свойства воды обеспечивают возможность сборки клеточных мембран, формирования пространственных структур биополимеров и осуществления многих других процессов жизнедеятельности.

Другая важная роль воды - транспортная. Достаточно вспомнить движение соков по проводящей системе растений, кровеносную и лимфатическую системы животных.

Взаимодействия между молекулами воды определяют её высокуютеплоёмкость.На разрыв связей между молекулами требуются большие затраты энергии. В результате на нагревание воды расходуется значительное количество тепла, но и охладить её не легче, чем нагреть. Поэтому вода предотвращает резкие колебания температуры, т.е. поддерживает тепловое равновесие в клетке и в организме в целом, а её текучесть обеспечивает равномерное распределение тепла между тканями организма.

Те же силы молекулярного взаимодействия определяют значительные затраты энергии на испарение. Поэтому испарение небольшого объёма воды способствует значительному охлаждению организма. Именно поэтому потоотделение, испарение воды со слизистых оболочек у собак и рептилий при дыхании с открытым ртом в жаркие дни значительно охлаждает организм.

Вода практически не сжимается. Она создаёт внутреннее гидростатическое (тургорное) давление в живой клетке, вызывающее растяжение клеточной оболочки и тем самым поддерживающееобъём и упругость клеток и тканей. Кроме того, вода принимает участие во многих химических процессах в клетке, например, реакциях гидролиза; служит источником ионов водорода при фотосинтезе и смазочным материалом, например, в суставах.

Обобщение новых знаний

Большая часть химических элементов входит в состав живых организмов, но их соотношение изменено характерным образом. Макроэлементы образуют основу: внутри- и межклеточные растворы, биополимеры и другие органические вещества клетки. Микроэлементы присутствуют в малых количествах; они обычно входят в состав ферментов. Вода - уникальное неорганическое вещество, обеспечивающее возможность “построения” клетки и протекания в ней биохимических процессов.

Биогенные элементы. Макроэлементы, микроэлементы

Применение знаний

1. Чем определяются существенные различия в химическом строении живых и неживых тел?

2. Чем обусловлено повышенное содержание в организмах отдельных элементов?

3. Чем определяются свойства воды?

4. Каковы биологические функции воды?

5. Почему стойко удерживается ионный состав внутри клетки?

6. Приведите примеры заболеваний, связанных с нехваткой тех или иных химических элементов.

7. Как связаны строение молекулы воды и её биологические функции?