Методическая разработка "Химический состав клетки"

Тема занятия: Химический состав клетки.

Предмет: Биология

Форма проведения: лекция

Цель: изучить химический состав клетки, выявить роль органических и неорганических веществ.

Ход занятия

I. Организационный момент

Ребята, добрый день!

Сегодня нам предстоит изучить очень интересную тему из курса биологии: «Химический состав клетки» .

II. Изучение нового материала.

 Мы с вами говорили о том, что все живое на Земле имеет клеточное строение, и что клетки имеют сходное строение.

Оказывается кроме сходства в строении, для всех клеток характерен и сходный химический состав.

Вещества, из которых состоят клетки разнообразны. Из 109, имеющихся в природе химических элементов в составе клеток можно найти 80. Но большинство этих элементов встречается в виде химических веществ.

1.      Неорганические вещества клетки

Все вещества клетки можно разделить на органические и неорганические.

Неорганические вещества – это вода и минеральные соли. Вы наверняка слышали, что человек на 80% состоит из воды. В клетках растений также есть вода в среднем около 60%.

Роль воды в клетке:

1. Вода обеспечивает транспорт веществ в клетке.
2. Входит в состав цитоплазмы.
3. Составляет основу клеточного сока.

Минеральные соли составляют около 1% массы клетки, но их значение очень велико. Чаще всего в растительных клетках встречаются соединения азота, фосфора, натрия, калия и других элементов. Некоторые растения способны накапливать разные минеральные вещества:

- водоросли – йод, поэтому людям испытывающим недостаток этого элемента рекомендуют есть морскую капусту.

- лютики – накапливают литий и по их месту произрастания можно судить о химическом составе почвы.

- хвощ – растет, там где кислые почвы.

Роль минеральных солей в клетке:

1. Необходимы для нормального обмена веществ между клеткой и средой;
2. Входят в состав межклеточного вещества.
3. Вода и минеральные соли входят и в состав неживой природы.

Между химическим составом живых организмов и неживой природой существует принципиальное единство

2.      Органические вещества клетки

Органические вещества - вещества, состоящие из углерода, водорода, кислорода и азота. Эти вещества содержатся или производятся живыми организмами. К этим веществам относят белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты.

Белки

Больше всего в клетке, после воды, содержится белков – 10-20%. Белки – нерегулярные полимеры, мономерами которых являются АК. Белки, по сравнению с обычными органическими соединениями, обладают рядом существенных особенностей: огромная молекулярная масса. Молекулярная масса одного из белков яйца равна 36000, а одного из мышечных белков достигает 1500000 кДа. В то время как молекулярная масса бензола 78, а этилового спирта – 46. Ясно, что белковая молекула по сравнению с ними – великан.

Как было сказано выше, мономерами белков являются АК. В составе белковых полимеров обнаружено 20 различных аминокислот, каждая их которых имеет особое строение, свойство и название. При этом, молекула каждой АК состоит из двух частей. Одна из которых одинаковая у всех аминокислот и в ее состав входит аминогруппа и кислотная карбоксильная группа, а другая – различна и называется радикалом. Через общую группировку происходит сцепление АК при образовании белкового полимера. Между соединившимися АК возникает связь –HN-CO-, называемая пептидной связью, а образовавшееся соединение – пептидом. Из двух АК образуется дипептид (димер), из трех – трипептид (триммер), из многих – полипептид (полимер).

Белки различаются по АК составу и по числу АК звеньев, и по их порядку расположения в цепи. Если обозначить каждую АК буквой, то получится алфавит из 20 букв.

Строение молекулы белка. Если учесть, что размер каждого АК звена составляет около 3 ангстрем, то очевидно, макромолекула белка, которая состоит из нескольких сотен АК звеньев, должна была представлять собой огромную цепь. В действительности макромолекулы белка имеют вид шариков (глобул). Следовательно, в природном белке полипептидная цепь каким-то образом закручена, как-то уложена. Исследования показали, что в укладке полипептидной цепи нет ничего случайного и хаотичного, каждому белку присущ определенный постоянный характер укладки.

Выделяют несколько уровней организации белковой молекулы:

· первичная структура белка представляющая собой полипептидную цепь, состоящую из цепи аминокислотных звеньев, связанных между собой пептидными связями.

· вторичная структура белка, где белковая нить закручивается в виде спирали. Витки спирали располагаются тесно, и между атомами и аминокислотными радикалами, находящимися на соседних витках, возникает напряжение. В частности, между пептидными связями, расположенными на соседних витках, образуются водородные связи (между NH- и CO-группами). Водородные связи слабее ковалентных, но повторяясь многократно, они дают прочное сцепление. Такая структура является довольно устойчивой. Вторичная структура подвергается дальнейшей укладке.

· третичная структура белка поддерживается еще более слабыми связями, чем водородные – гидрофобными. Несмотря на их слабость, в сумме они дают значительную энергию взаимодействия. Участие «слабых» связей в поддержание специфической структуры белковой макромолекулы обеспечивает ее достаточную устойчивость и высокую подвижность.

· четвертичная структура белка образуется в результат соединения нескольких белковых макромолекул друг с другом, которые и являются мономерами макромолекулы белка. Крепление четвертичной структуры обусловлена наличием слабых связей и –S-S- связи.

Чем выше уровень организации белка, тем слабее поддерживающие его связи. Под влияние различных физических и химических факторов – высокой температуры, действия химических веществ, лучистой энергии и др. – «слабые» связи рвутся, структура белка – четвертичная, третичная и вторичная – деформируются, разрушаются и свойства его изменяются. Нарушение природной уникальной структуры белка называется денатурацией. Степень денатурации белка зависит от интенсивности воздействия на него различного фактора: чем интенсивнее воздействие, тем глубже денатурация. Белки отличаются друг от друга по легкости денатурации: яичный белок – 60-70 ºС, сократительный белок мышц – 40-45 ºС. Многие белки денатурируются от ничтожных концентраций химических веществ, а некоорые даже от незначительного механического воздействия.

Процесс денатурации обратим, т.е. денатурированный белок может перейти обратно в природный. Даже полностью развернутая молекула способна самопроизвольно восстановит свою структуру. Отсюда следует, что все особенности строения макромолекулы природного белка определяются первичной структурой, т.е. составом АК и порядком их следования в цепи.

Роль белков в клетке. Значение белков для жизни велико и многообразно. Прежде всего белки – строительный материал. Они участвуют в образовании оболочки, органоидов и мембран клетки. У высших животных из белков построены кровеносные сосуды, сухожилия, волосы и т.д.

Громадное значением имеет каталитическая роль белков. Скорость химических реакций зависит от свойств реагирующих веществ и от их концентрации. Чем вещества активнее, чем концентрация их больше, тем скорость реакции выше. Химическая активность клеточных веществ, как правило, невелика. Концентрация их в клетке большей частью незначительна. Т.о. реакции в клетке должны протекать очень медленно. А между тем известно, что химические реакции внутри клетки протекают со значительной скоростью. Это достигается благодаря наличию в клетке катализаторов. Все клеточные катализаторы – белки. Их называют биокатализаторами, а чаще – ферментами. По химической структуре катализаторы – белки, т.е. они состоят из обычных АК, обладают вторичной и третичной структурами. В большинстве случаев ферменты катализируют превращение веществ, размеры молекул которых по сравнению с макромолекулами ферментов очень малы. Почти каждая химическая реакции в клетке катализируется своим собственным ферментом.

Кроме каталитической роли очень важна двигательная функция белков. Все виды движений, к которым способны клетки и организмы, - сокращение мышц у высших животных, мерцание ресничек у простейших, движение жгутиков, двигательные реакции у растений – выполняют особые сократительные белки.

Еще одна функция белков – транспортная. Белок крови гемоглобин присоединяя к себе кислород, разносит его по всему организму.

При введении в организм чужеродных веществ или клеток в нем происходит выработка особых белков, называемых антителами, которые связывают и обезвреживают чужеродные тела. В этом случае белки выполняют защитную роль.

Наконец, существенная значительна роль белков как источника энергии. Белки распадаются в клетке до АК. Часть их расходуется на синтез белков, а часть подвергается глубокому расщеплению, в ходе которого освобождается энергия. При полном распаде 1 г белка освобождается 17,6 кДж (4,2 ккал).

Углеводы

В животной клетке углеводы содержатся в небольшом количестве – 0,2-2%. В клетках печени и мышцах содержание их более высокое – до 5 %. Наиболее богаты углеводами растительные клетки. В высушенных листьях, семенах, плодах, клубнях картофеля их почти 90%.

Углеводы – органические вещества, в состав которых входят углерод, кислород и водород. Все углеводы разделяются на две группы: моносахариды и полисахариды. Несколько молекул моносахаридов, соединяясь между собой с выделением воды, образуют молекулы полисахарида. Полисахариды – полимеры, в которых роль мономеров играют моносахариды.

Моносахариды. Эти углеводы называются простыми сахарами. Они состоят из одной молекулы и представляют собой бесцветные, твердые кристаллические вещества, сладкие на вкус. В зависимости от числа углеродных атомов, входящих в состав солекулы углевода, различают триозы – моносахариды, содержащие 3 атома углерода; тетраозы – 4 атома углерода; пентозы – 5 атомов углерода, гексозы – 6 атомов углерода.

Глюкоза в свободном состоянии встречается как в растениях, так и в животных организмах.

Глюкоза – первичный и главный источник энергии для клеток. Она обязательно находится в крови. Снижение ее количества в крови приводит к нарушению жизнедеятельности нервных и мышечных клеток, иногда сопровождается судорогами и обморочным состоянием.

Глюкоза является мономером таких полисахаридов как крахмал, гликоген, целлюлоза.

Фруктоза в большом количестве в свободном виде встречается в плодах, поэтому ее часто называют плодовым сахаром. Особенно много фруктозы в меде, сахарной свекле, фруктах. Путь распада короче, чем у глюкозы, что имеет большое значение при питании больного диабетом, когда глюкоза очень слабо усваивается клетками.

Полисахариды. Из двух моносахаров образуются дисахариды, из трех – трисахариды, из многих – полисахариды. Ди- и трисахариды, подобно моносахаридам, хорошо растворимы в воде, обладают сладким вкусом. С увеличением числа мономерных звеньев растворимость полисахаридов уменьшается, сладкий вкус исчезает.

Сахароза состоит из остатков сахарозы и фруктозы. Чрезвычайно широко распространена в растениях. Играет большую роль в питании многих животных и человека. Хорошо растворима в воде. Главный источник получения ее в пищевой промышленности – сахарная свекла и сахарный тростник.

Лактоза – молочный сахар, имеет в составе глюкозу и галактозу. Этот дисахарид находится в молоке и является основным источником энергии для детенышей млекопитающего. Используется в микробиологии для приготовления питательных сред.

Мальтоза состоит из двух молекул глюкозы. Мальтоза – основной структурный элемент крахмала и гликогена.

Лактоза – молочный сахар, имеет в составе глюкозу и галактозу. Этот дисахарид находится в молоке и является основным источником энергии для детенышей млекопитающего. Используется в микробиологии для приготовления питательных сред.

Крахмал – резервный полисахарид растений; содержится в большом количестве в клетках клубней картофеля, плодов и семян. Находится в виде зернышек слоистого строения, нерастворимых в холодной воде. В горячей воде крахмал образует коллоидный раствор.

Гликоген – полисахарид, содержащийся в клетках животных и человека, а также в грибах, в т.ч. и дрожжах. Он играет важную роль в обмене углеводов в организме. В значительных количествах накапливается в клетках печени, мышцах, сердце. Является поставщиком глюкозы в кровь.

Функции углеводов. Энергетическая функция, т.к. углеводы служат основным источником энергии для организма, для осуществления любой формы клеточной активности. Углеводы подвергаются в клетке глубокому окислению и расщеплению до простейших продуктов: СО2 и Н2О. В ходе этого процесса освобождается энергия. При полном расщеплении и окислении 1 г углеводов освобождается 17,6 кДж (4,2 ккал) энергии.

Структурная функция. Во всех без исключения клетках обнаружены углеводы и их производные, которые входят в состав клеточных оболочек, принимают участие в синтезе многих важнейших веществ. В растениях полисахариды выполняют опорную функцию. Так целлюлоза входит в состав клеточной стенки бактерий и растительных клеток, хитин образует клеточные стенки грибов и хитиновый покров тела членистоногих. Углеводы обеспечивают процесс узнавания клетками друг друга. Благодаря этому происходит опознание сперматозоидами яйцеклетки своего биологического вида, клетки одного типа удерживаются вместе с образованием тканей, отторгаются несовместимые организмы и трансплантаты.

Запасание питательных веществ. В клетках углеводы накапливаются в виде крахмала у растений и гликогена у животных и грибов. Эти вещества представляют собой запасную форму углеводов и расходуются по мере возникновения потребности в энергии. В печени при полноценном питании может накапливаться до 10% гликогена, а при голодании его содержание может снижаться до 0,2% массы печени.

Защитная функция. Вязкие секреты (слизи), выделяемые различными железами, богаты углеводами и их производными, в частности гликопротеидами. Они предохраняются стенки полых органов (пищевода, кишечника, желудка, бронхов) от механических повреждений, проникновения вредных бактерий и вирусов. Углеводы запускают сложные каскады иммунных реакций

Углеводы входят в состав носителей генетической информации – нуклеиновых кислот: рибоза – РНК, дезоксирибоза – ДНК; рибоза входит в состав основного носителя энергии клетки – АТФ, акцепторов водорода – ФАД, НАД, НАДФ.

Липиды

Под термином липиды объединяют жиры и жироподобные вещества. Липиды – органические соединения с различной структурой, но общими свойствами. Они нерастворимы в воде, но хорошо растворимы в органических растворителях: эфире, бензине, хлороформе. Липиды очень широко представлены в живой природе и играют чрезвычайно важную роль в клетке. Содержание жира в клетках составляет от 5-15% от сухой массы. Однако существуют клетки содержание жира, в которых достигает почти 90% от сухой массы – клетки жировой ткани. Жир содержится в молоке всех млекопитающих животных, причем самок дельфинов содержание жира в молоке достигает 40%. У некоторых растений большое количество жира сосредоточено в семенах и плодах (подсолнечника, грецкого ореха)

По химической структуре жиры представляют собой соединения глицерина (трехатомного спирта) с высокомолекулярными органическими кислотами. Из них чаще всего встречается пальмитиновая (СН3-(СН2)14-СООН), стеариновая (СН3-(СН2)16-СООН), олеиновая (СН3-(СН2)7-СН=СН-(СН2)7СООН) жирные кислоты.

Из формулы видно, что молекула жира содержит остаток глицерина – вещества хорошо растворимого в воде, и остатки жирных кислот, углеводородные цепочки которых практически нерастворимы в воде. При нанесении капли жира на поверхность воды в сторону воды обращена глицериновая часть молекулы жира, а из воды вверх «торчат» цепочки жирных кислот. Такая организация веществ, входящих в состав клеточных мембран, препятствует смешиванию содержимого клетки с окружающей средой.

Кроме жира, в клетке обычно присутствует довольно большое количество веществ, обладающих, как и жиры, сильно гидрофобными свойствами – липоиды, которые по химической структура сходны с жирами. Особенно много их содержится в желтке яйца, в клетках мозговой ткани.

Функции липидов. Биологическое значение жира многообразно. Прежде всего, велико его значение как источника энергии – энергетическая функция. Жиры, как и углеводы, способны расщепляться в клетке до простых продуктов (СО2 и Н2О), и в ходе этого процесса освобождается 38,9 кДж на 1 г жира (9,3 ккал), что в два раза больше по сравнению с углеводами и белками.

Структурная функция. Двойной слой фосфолипидов является основой клеточной мембраны. Липиды принимают участие в образовании многих биологически важных соединений: холестерина (желчные кислоты), зрительного пурпура глаза (липопротеины); необходимы для нормального функционирования нервной ткани (фосфолипиды).

Функция запасания питательных веществ. Жиры являются своего рода энергетическими консервантами. Жировыми депо могут быть и капли жира внутри клетки, и «жировое тело» у насекомых, и подкожная клетчатка. Жиры являются основным источником энергии для синтеза АТФ, источником метаболической воды (т.е. воды, образующейся входе обмена веществ), которая образуется в ходе окисления жира и очень важна для обитателей пустыни. Поэтому жир в горбе верблюда служит в первую очередь источником воды.

Функция терморегуляции. Жиры плохо проводят тепло. Они откладываются под кожей, образуя у некоторых животных огромные скопления. Например, у кита слой подкожного жира достигает 1 м. Это позволяет теплокровному животному жить в холодной воде полярного океана.

У многих млекопитающих существует специальная жировая ткань, играющая в основном роль терморегулятора, своеобразного биологического обогревателя. Это ткань называют бурым жиром, т.к. она имеет бурый цвет, т.к. богата митохондриями красно-бурой окраски из-за находящихся в ней железосодержащих белков. В этой ткани производится тепловая энергия, имеющая важной значение для млекопитающих в условиях жизни при низких температурах.

Защитная функция. Гликолипиды участвуют распознавании и связывании токсинов возбудителей опасных болезней – столбняк, холера, дифтерия. Воски являются водоотталкивающим покрытием? У растений восковой налет есть на листьях, плодах, семенах, у животных воски входят в состав соединений, покрывающих кожу, шерсть, перья.

Регуляторная функция. Многие гормоны являются производными холестерина: половые (тестостерон у мужчин и прогестерон у женщин). Жирорастворимые витамины (А, D, E, K) необходимы для роста и развития организма. Терпенами являются душистые вещества растений, привлекающие насекомых-опылителей, гиббереллины – регуляторы роста растений.

Нуклеиновые кислоты

Название «нуклеиновые кислоты» происходит от латинского «нуклеус» - ядро. Они впервые были обнаружены и выделены из ядерных клеток. Впервые их описал в 1869 году швейцарский биохимик Фридрих Мишер. Из остатков клеток, содержащихся в гное, он выделил вещество, в состав которого входят азот и фосфор. НК – природные высокомолекулярные органические соединения, обеспечивающие хранение и передачу наследственной (генетической) информации в живых организмах. НК – важные биополимеры, построенные из большого числа мономерных единиц, называемых нуклеотидами, определяющие основные свойства живого.

В природу существуют НК двух типов, различающихся по составу, строению и функциям:

ДНК – полимерная молекула, состоящая из тысячи и даже миллионов мономеров – дезоксирибонуклеотидов (нуклеотид). ДНК содержится преимущественно в ядре клеток, а также небольшое количество в митохондриях и хлоропластах. Количество ДНК в клетке относительно постоянно.

Из рисунка видно, что нуклеотид, являющийся мономером, является продуктом химического соединения трех разных веществ: азотистого основания, углевода (дезоксирибозы) и фосфорной кислоты. В ДНК входят 4 типа нуклеотидов, отличающихся лишь по структуре азотистого основания: пуриновые основания – аденин (А) и гуанин (Г), пиримидиновые основания – цитозин (Ц) и тимин (Т).

Сцепление нуклеотидов между собой, когда они соединяются в цепь ДНК, происходит через фосфорную кислоту. За счет гидроксила фосфорной кислоты одного нуклеотида и гидроксила дезоксирибозы соседнего нуклеотида выделяется молекула воды и остатки нуклеотидов соединяются прочной ковалентной связью.

При этом следует отметить, что количество пуриновых оснований аденина (А) равно количеству пиримидиновых оснований тимина (Т), т.е. А=Т; количество пурина гуанина (Г) всегда равно количеству пиримидина – цитозина Г=Ц – правило Чаргаффа.

ДНК состоит из двух спирально закрученных одна вокруг другой полинуклеотидных цепей. Ширина спирали около 20 ангстрем, а длина значительно велика и может достигать нескольких десятков и даже сотен микрометров. А цепи каждой ДНК нуклеотиды следуют в определенном и постоянном порядке. При замене хотя бы одного нуклеотида возникает новая структура с новыми свойствами.

При образовании спирали азотистые основания одной цепи располагаются точно против азотистых оснований другой. В расположении противоположных нуклеотидов имеется важная закономерность: против А одной цепи оказывается всегда Т другой цепи, а против Г – только Ц – комплементарность. Объясняется это тем, что края молекул А = Т, Г ≡ Ц соответствуют друг другу геометрически. При это между молекулами образуются водородные связи, причем связь Г-Ц более прочная. Двойная спираль прошита многочисленными слабыми водородными связями, что обуславливает ее прочность и подвижность.

Принцип комплементарности позволяет понять, как синтезируются новые молекулы ДНК незадолго до деления клетки. Этот синтез обусловлен замечательной способностью ДНК к удвоению и определяет передачу наследственных свойств от материнской клетки к дочерней.

Спиральная двутяжня цепь ДНК начинает раскручиваться с одного конца, и на каждой цепи из находящейся в окружающей среде свободных нуклеотидов собирается новая цепь. Сборка новой цепи идет согласно принципу комплементарности. В результате вместо одной молекулы ДНК возникают две молекулы точно такого же нуклеотидного состава, как и первоначальная. При этом одна цепь материнская, а другая синтезируется вновь.

РНК – полимер, мономером которого является рибонуклеотид. РНК находится в ядре и цитоплазме. Количество РНК в клетке постоянно колеблется. РНК представляет собой однонитевую молекулу, построенную таким же образом как и одна из цепей ДНК. Нуклеотиды РНК очень близки, хотя и не тождественны нуклеотидам ДНК. Их тоже 4, состоят они из азотистого основания, пентозы и фосфорной кислоты. Три основания совершенно одинаковы ДНК: А, Г, Ц, однако вместо Т, присутствующего в ДНК, в состав РНК входит У. В РНК вместо углевода дезоксирибозы – рибоза. Связь между нуклеотидами также осуществляется через остаток фосфорной кислоты.

III. Закрепление

1.Какое вещество используют для определения содержания крахмала? ( йод)

2.Вещество-углевод, можно обнаружить в клубнях картофеля?(крахмал)

3.Органические вещества, необходимые в клетке для получения энергии? (жиры)

4.Какие вещества относятся к неорганическим? (вода, минеральные соли)

VI. Рефлексия.

Оценка работы на занятии (подчеркнуть слова)

1. На уроке я работал активно/пассивно

2. Своей работой на уроке я доволен/недоволен

3. Урок для меня показался коротким/длинным

4.За урок я не устал/устал

5. Мое настроение стало лучше/стало хуже

6. Материала урока мне был понятен/ пе понятен

V. Домашнее задание.

1. выучить лекцию

2. На выбор:

1. Используя Интернет или дополнительную литературу, проведите исследование и сделайте краткие сообщения о том, какие масличные растения используют люди в разных странах?
2. Используя Интернет или дополнительную литературу, проведите исследование и сделайте краткие сообщения о том, какие растения используют люди в разных странах для производства сахара, кроме сахарного тростника и сахарной свеклы?