Урок биологии 'Химический состав клетки'

Урок биологии 10 класс.

Тема урока «СОДЕРЖАНИЕ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В КЛЕТКЕ.

ВОДА И НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА, ИХ
БИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ»

ЗАДАЧИ: сформировать о составе химических элементов, входящих в клетку, их роли в ней. Установить биологическую роль воды на основе строения ее молекулы, физических и химических свойств. Раскрыть роль неорганических веществ в клетке. Доказать единство живой и неживой природы. Развивать умения и навыки самостоятельного поиска знаний и применения их для объяснения новых закономерностей. Воспитывать самостоятельность мышления и умение работать в группе.

ПЛАН УРОКА

1. Организационный момент.

2. Вступление учителя: Продолжая изучать общие биологические закономерности, мы исследовали еще один уровень организации жизни. Изучили строение клетки и ее органоидов, установили их биологическую роль. Но еще не нашли ответ на вопросы: Где грань между живым и неживым? Почему клетка живет? Что обеспечивает ее функциональную активность?

Какие уровни жизни нами уже исследованы и изучены? (Таблица «Уровни организации живой природы»)

Ответы: - Биосферный. Биосфера- это геологические оболочки планеты, заселенные живыми организмами.

• Биоценотический. Биоценоз- это совокупность живых организмов и условий окружающей среды, сформировавшихся и длительное время существующих на определенной территории.

• Популяционно-видовой. Этот уровень учитывает взаимоотношения особей одного

вида.

• Организменный. Каждый организм - целостная система, самостоятельно обитающая в условиях окружающей среды . и тесно с ними взаимосвязанная.

• Клеточный. Клетка - элементарная , функциональная и структурная единица живого организма. Самостоятельный организм

И вот теперь мы приступаем к изучению химической природы клетки и организма в целом, и на молекулярном уровне исследуем природу биологических процессов. Итак, тема сегодняшнего урока « Химические элементы и неорганические вещества в клетке».

Задачи урока: исследовать элементарный состав клетки, найти элементы жизни, если они есть. Установить в клетке наличие минеральных веществ и их биологическую роль.

Учитель: тема сегодняшнего урока тесно связан с материалом, известным вам из курсов физики, химии, географии, поэтому к этому уроку мы готовились вместе и вместе его проведем.

На нашем уроке - научно-практической конференции исследователи разных научных центров:

-Лаборатории элементарного анализа клетки;

• Института биохимических проблем воды;

• - Лаборатории общей химии;

• Пресса.

Каждая научная группа провела отдельные исследования в области химии клетки, и сегодня доложит о проделанной работе, а представители прессы отразят ход нашей работы в средствах информации, и если по ходу урока у них возникнут вопросы, они зададут нам их.

Итак, Лаборатория элементарного анализа установила. Вам слово.

Отчет первой группы.

Руководитель: Целью нашей работы стало установление химического состава клетки и определение биологической роли химических элементов.

Нам удалось установить, что клетки разных живых организмов: растений, животных, бактерий и грибов сходны не только по строению, но и по химическому составу. В клетках обнаружено более 80 химических элементов, при этом каких-либо специальных, характерных только для живых организмов, не обнаружено.

По содержанию элементы можно разделить на три группы:

1. Макроэлементы. Они составляют основную массу вещества клетки. На их долю приходится около 99% всей массы клетки. Особенно высоко содержание кислорода, углерода, азота, водорода - 98% всех макроэлементов. К этим же элементам относят также элементы, содержание которых в клетке исчисляется десятыми и сотыми долями процента, это - калий, натрий, магний, кальций, железо, сера, фосфор, хлор.

2. Микроэлементы. К ним относят элементы, содержание которых в клетке составляет от 0,001 до 0, 000001% . Это бор, кобальт, медь, молибден, цинк, ванадий, йод, бром и другие. Эти элементы в микроскопических количествах входят в состав ферментов, гормонов, витаминов и

других биологически активных веществ.

3. Ультрамикроэлементы. Концентрация их в клетке не превышает 0,000001%. Физиологическая роль их в клетке не до конца установлена пока, но это: золото, бериллий, радий, селен, цезий и даже уран.

Главный вывод нашей работы: никаких элементов жизни нет, живые и неживые тела состоят из одних и тех же элементов, это еще раз доказывает единство живой и неживой природы.

Младший научный сотрудник: Пожалуй таким элементом жизни можно назвать элемент углерод, который в живых клетках способен образовывать совершенно особенный тип химических молекул, чем в неживой природе. Изучением углерода и его соединений занимается отдельная отрасль химии - органическая химия.

С +6) ) 1$² 2з² 2р² * С( IV)

SР³ - гибридизация - - С-С-С-С-

Углеродные атомы образуют ковалентные связи с атомами Н, О, Р, N. Соединение

с этими и другими элементами обеспечивает большое разнообразие органических молекул. Суммируя все сказанное, отметим:

1. атомы углерода сравнительно малы и атомные массы невелики;

2. углерод образует 4 прочные ковалентные связи;

3. образует -С-С- связи, строя длинные углеродные скелеты, цепи, кольца;

4. образует кратные ковалентные связи.

Поэтому углерод - элемент органических молекул.

Старший научный сотрудник: Какова же биологическая роль остальных химических элементов?

В организмах макроэлементы могут находиться как в связанном состоянии, так и в виде свободных ионов. 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 комплексообразователей или активаторов, участвуют в обмене веществ, процессах размножения, тканевом дыхании, обезвреживании токсических веществ.

Большинство микроэлементов накапливаются в печени, костной и мышечной тканях. Цинк концентрируется в поджелудочной железе, йод - в эмали зубов, алюминий и мышьяк накапливаются в волосах и ногтях, кадмий, ртуть, молибден - в почках, олово откладывается в тканях кишечника, стронций - в предстательной железе и костях, барий - в пигментной сетчатке глаза

Биологическая роль некоторых элементов:

Натрий- калий: участвуют в поддержании электрического потенциала на мембранах, кофакторы при фотосинтезе и гликолизе, компоненты клеточного сока.

Магний - входит в состав хлорофилла, костей и зубов, кофактор многих ферментов.

Кальций - обеспечивает нормальное развитие клеточной стенки у растений, важнейший компонент костей, участвует в свертывании крови.

Марганец - обеспечивает развитие костей, один из ростковых факторов у растений, входит в состав дыхательных ферментов, участвует в фотосинтезе.

Кобальт - входит в состав витамина В , участвует в развитии эритроцитов.

Железо - входит в состав гемоглобина и миоглобина, участвует в переносе кислорода, в растении присутствует в цитохромах, каталазе, пироксидазе.

Медь - присутствует в ферментах и коферментах фотосинтеза, у беспозвоночных участвует в переносе кислорода, обеспечивает образование меланина.

Цинк - входит в состав фермента анаэробного дыхания растений, в крови беспозвоночных транспортирует углекислый газ, гидролизует пептидные связи при переваривании белков.

Молибден - участвует в процессе синтеза аминокислот у растений, фиксирует азот у прокариот.

Старший научный сотрудник: многие элементы для клетки крайне губительны, и даже могут привести к гибели всего организма. Нами установлены самые опасные:

Свинец - ядовит, вызывает изменения в нервной ткани, крови, сосудах. Острое отравление сопровождается сильными болями в суставах, судорогами, потерей сознания. Свинец накапливается в костях, печени, почках.

Марганец - действует на организм через органы дыхания, поражает центральную нервную систему, почки, органы кровообращения и легкие, накапливается в печени. Острое отравление приводит к смерти.

Хром - действует на слизистые оболочки, вызывая прободение носовой перегородки. Он вызывает головную боль, слабость, похудение, дерматиты, бронхит, астму.

Кадмий - вызывает внутренние кровотечения, воспаление почек, жировое перерождение почек, нарушает обмен кальция. При острых отравлениях наблюдается отек лица, языка.

Никель - поражает легкие, кожу, вызывает носовые кровотечения, приводит к раку легких.

Ванадий - вызывает аллергию, рениты, коньюктивиты, поражает кровеносные сосуды.

Кобальт - накапливается в костях, печени, селезенке, вызывает острые дерматиты, сильные отеки, кашель, одышку.

Ртуть - поражает центральную нервную систему, связывает белки, нарушает клеточное дыхание. Отравление проявляется металлическим вкусом во рту, жгучими болями в пищеводе и желудке. Через 5- 10 суток после отравления наступает смерть. Накапливается ртуть в печени и почках.

Медь - вызывает тошноту, рвоту, отравление проявляется зеленой каймой на деснах и зеленой окраской волос.

Учитель: ваши выводы подтверждают не только важную биологическую роль химических элементов, но и то, что элементы должны поступать в организм в строго определенных концентрациях

Отчет второй группы:

Руководитель: Вся наша научная работа посвящена исследованию роли воды в живых организмах. Вода покрывает % всей планеты, без воды жизнь на Земле не могла бы существовать. Воды и в организме больше всего, от 60% до 95%. Вода входит в состав клеток, тканей, но это еще и среда жизни клеток. Почему именно вода?

Научный сотрудник: важнейшую роль в клетке вода играет благодаря своему строению. Молекулы воды полярны, поэтому между молекулами возникают водородные связи, что отражается на физических свойствах вещества

Вода - растворитель, особенно хорошо в воде растворяются полярные и ионные соединения.

Вода еще и реагент, она участвует в химических процессах в клетке. По отношению к воде все вещества можно разделить на гидрофильные и гидрофобные, каждое из которых в результате взаимодействия с молекулами воды выполняет свою биологическую роль.

Лаборант - исследователь: Вода обладает большой теплоемкостью. С=4200^Дж/кг С. Это значит, что существенное увеличение тепловой энергии вызывает лишь незначительное повышение температуры, т. к. большая часть энергии тратится на разрыв водородных связей. Благодаря такой большой теплоемкости воды сводятся к минимуму происходящие в ней температурные изменения, а это защищает клетку и обеспечивает постоянство условий обитания организма.

Лаборант - исследователь: Воду отличает и большая теплота испарения. Ь=2,3 10⁶ ^/кг. Для воды требуется значительное количество теплоты для перевода жидкости в пар, т. е. для преодоления сил молекулярного сцепления. Испарение сопровождается охлаждением, это явление используется у животных при потоотделении или тепловой одышке, а у растений в охлаждении транспирирующих листьев.

Лаборант - исследователь: У воды большая теплота плавления. Это количество энергии, необходимой для плавления льда. Справедливо и обратное: при замерзании вода отдает большое количество энергии, это уменьшает вероятность замерзания содержимого клеток и окружающей их среды. Кристаллы льда губительны для клеток.

Вода - единственное вещество, плотность которого при замерзании уменьшается. Поэтому лед покрывает толщину воды как одеялом, что повышает шансы на выживание у организмов, обитающих в воде. Это важно в условиях холодного климата и в холодное время года, особенно важную роль это играло в ледниковый период.

Лаборант - исследователь: Особая величина - поверхностное натяжение. На поверхности жидкости существует поверхностное натяжение - результат действующих между молекулами сил, направленных внутрь. Поэтому жидкость стремится принять форму с наименьшей поверхностью. У воды самое большое поверхностное натяжение. Это играет важную роль в живых клетках, а также при движении воды по сосудам растений. Многие легкие организмы благодаря этому могут удерживаться на воде или скользить по ее поверхности.

Руководитель группы: Итак, подводя итог своей работе, отметим еще раз,

1. Вода послужила важнейшим условием и фактором эволюции. Жизнь могла зародиться только в воде .

2. Вода и ее недостаток являются важным фактором естественного отбора.

3. У всех живых организмов: вода обеспечивает структуру клетки, служит растворителем и средой для диффузии, участвует в реакциях, обеспечивает оплодотворение, распространение плодов, семян, гамет.

4. У разных живых организмов может выполнять особые, специальные функции.

Учитель: Вода - важнейшее неорганическое вещество клетки, но не единственное.

Какие еще неорганические вещества входят в состав живой клетки, и каково их значение? Об этом Сообщение готовила третья группа.

Руководитель группы Лаборатории общих проблем химии: К неорганическим веществам клетки кроме воды относятся также соли. Для процессов жизнедеятельности из входящих в состав солей катионов наиболее важны К⁺, Ыа⁺, Са²⁺, М§²⁺' из анионов НРО4²', Н2РО4', НСОз' , СОз²',СГ. Некоторые из этих ионов играют особенно важную роль в поддержании кислотно-щелочной среды в клетке.

Исследователь - лаборант: Я проводила определение рН-среды в некоторых клетках животных и растений, получила следующие результаты:

Из этих данных видно, что показатель во всех живых клетках приблизительно равен 7, т.е. среда нейтральная или слабощелочная, в клетках животных тканей она слабокислая, это обусловлено процессами, происходящими в мертвых клетках, так как исследование происходило через определенное время после гибели птицы. Как же клетки поддерживают постоянной кислотно-щелочную среду?

Младший научный сотрудник: В живой клетке поддерживается постоянной слабощелочная среда (рН 7,2). Эта способность клетки называется буферность. Буферность клетки определяется концентрацией солей внутри нее и содержанием анионов СО3^2-, НСОз^-, НРО4^2-, Н₂Р0₄^-. Если в процессе жизнедеятельности клетки освобождаются ионы Н⁺ или ОН^- , то они улавливаются анионами и реакция среды в клетке вновь приходит в норму.

Н ⁺+НР0₄^2- = Н ₂Р0₄^- Н₂Р0₄^- + ОН^-= НР0₄^2- + Н₂0

Н⁺+ СОз^2- = НСОз^- НСОз^- + ОН^- = С0₃^2-+ Н₂0

Буферные свойства сохраняются только в живой клетке.

Руководитель: Концентрация катионов и анионов в клетке и в среде ее обитания, как правило, резко различна. Так, внутри клетки довольно высокая концентрация ионов К⁺ и очень малая ионов №⁺ . Напротив, в окружающей клетку среде - в плазме крови, в морской воде - мало ионов К⁺ и много ионов Nа⁺ . Содержащиеся в клетке ионы имеют важное значение для нормального функционирования клетки. Неорганические вещества содержатся в клетке не только в растворенном, но и в твердом состоянии. В частности, прочность и твердость костной ткани обеспечиваются фосфатом кальция, а раковин моллюсков - карбонатом кальция.

УЧИТЕЛЬ: Со своими работами выступили все научные группы, какие вопросы возникли в ходе нашей конференции у прессы ?

ПРЕССА:

Удалось ли обнаружить вам элементы жизни?

Почему углерод в вашем докладе был назван элементом жизни?

Почему именно вода является самым важным неорганическим веществом в клетке?

Почему клетки почти не перегреваются и не замерзают?

Как клетки сохраняют постоянство внутренней среды?

И еще надо отметить высокую активность всех учеников на сегодняшнем уроке, приятно видеть, как работают ребята, и как много подготовлено к уроку самостоятельного материала.

УЧИТЕЛЬ: Подводя итог нашему уроку, давайте вернемся в начало урока. Мы выяснили элементарный состав клетки, установили роль неорганических веществ в ней, но нашли ли мы ответ на вопрос « А почему клетка живет?» и « За счет чего в ней протекают жизненные процессы?». Пока нет, но ведь и не обо всех веществах в клетке мы знаем.

На следующих уроках нам предстоит познакомиться с важнейшими органическими веществами клетки.

«Все познается в сравнении» - эта расхожая фраза передает глубокий смысл процесса познания. Философы считают, что без сравнения невозможен процесс мышления, а физиологи утверждают что функции сличения и различения- основа умственных действий человека. Все это говорит, насколько важно для развития учащихся их умение сравнивать, выявлять общие черты и различия в объектах.

Формирование и совершенствование приема сравнения состоит в осмыслении учащимися его сущности и способов применения. Сравнение - это мыслительная операция, в процессе которой устанавливают признаки сходства (сопоставление) и различия (противопоставление) между предметами или явлениями.

Для правильного проведения сравнения прежде всего необходимо выделить тот признак, который будет выявляться в сравниваемых объектах. Только после этого можно приступить к поиску общих черт и различий.

В разных ситуациях сравнение приводит к достижению разных целей:

• выявление общих черт и различий;

• определение признаков, основы для классификации;

• установление общих закономерностей;

• обнаружение одиночного, особенного или общего;

• установление причинно-следственных связей;

• прогнозирование свойств веществ или возможностей и особенностей.

Сравнение как прием мыслительной деятельности тесно связано с выделением главного и обобщением. Ведь выбор основы для сравнения есть не что иное, как вычленение существенного на данном этапе изучения признака объекта. Выделить же этот признак учащиеся могут лишь при условии понимания главного в изучаемом.

Умение учащихся осуществлять различные умственные операции играют важную роль в обучении, формировании знаний, развитии.

Итог урока. Объявлены и прокомментированы оценки.

Записано домашнее задание.