Значення найважливіших хімічних елементів та сполук для клітини та організму. Хімічні елементи у клітинах живих організмів

Сьогодні виявлено та виділено у чистому вигляді багато хімічних елементів таблиці Менделєєва, а п'ята їх частина зустрічається у кожному живому організмі. Вони, подібно до цеглинок, є головними складовими органічних і неорганічних речовин.

Які хімічні елементи входять до складу клітини, з біології яких речовин можна будувати висновки про їх наявності у організмі - це ми розглянемо далі у статті.

Що таке сталість хімічного складу

Для дотримання стабільності в організмі кожна клітина повинна підтримувати концентрацію кожної своєї складової постійному рівні. Цей рівень визначається видовою приналежністю, довкіллям, екологічними факторами.

Щоб відповісти на запитання, які хімічні елементи входять до складу клітини, необхідно чітко розуміти, що у складі будь-якої речовини є якісь із складових таблиці Менделєєва.

Іноді йдеться про соті і тисячні частини відсотка вмісту певного елемента в клітині, але при цьому зміна названого числа хоча б на тисячну частину вже може нести серйозні наслідки для організму.

Зі 118 хімічних елементів у клітині людини має бути як мінімум 24. Немає таких складових, які зустрічалися б у живому організмі, але не входили до складу неживих об'єктів природи. Цей факт підтверджує тісний зв'язок між живим та неживим в екосистемі.

Роль різних елементів, що входять до складу клітини

Тож які хімічні елементи входять до складу клітини? Їх роль у життєдіяльності організму, слід зазначити, безпосередньо залежить від частоти народження та концентрації їх у цитоплазмі. Однак, незважаючи на різний вміст елементів у клітині, значимість кожного з них однаково висока. Дефіцит будь-якого з них може призвести до шкідливого впливу на організм, відключивши з метаболізму найважливіші біохімічні реакції.

Перераховуючи, які хімічні елементи входять до складу клітини людини, слід згадати три основні види, які ми розглянемо далі:

Основні біогенні елементи клітини

Не дивно, що елементи О, С, Н, N відносяться до біогенних, адже саме вони утворюють усі органічні та багато неорганічних речовин. Неможливо уявити білки, жири, вуглеводи чи нукленові кислоти без цих найважливіших для організму складових.

Функція цих елементів визначила їх високий вміст організмі. На частку в сукупності припадає 98% від усієї сухої маси тіла. У чому може проявлятися активність цих ферментів?

1. Кисень. Його вміст у клітині близько 62% загальної сухої маси. Функції: побудова органічних та неорганічних речовин, участь у ланцюгу дихання;
2. Вуглець. Його зміст сягає 20%. Основна функція: входить до складу всіх;
3. Водень. Його концентрація набуває значення 10%. Крім того, що цей елемент є складовою органічних речовин та води, він також бере участь у перетвореннях енергії;
4. Азот. Кількість вбирається у 3-5%. Його основна роль – це утворення амінокислот, нуклеїнових кислот, АТФ, багатьох вітамінів, гемоглобіну, гемоціаніну, хлорофілу.

Ось які хімічні елементи входять до складу клітини та утворюють більшість необхідних для нормальної життєдіяльності речовин.

Значення макроелементів

Макроелементи допоможуть підказати, які хімічні елементи входять до складу клітини. З курсу біології стає зрозуміло, що крім основних, 2% сухої маси становлять інші складові періодичної таблиці. І до макроелементів належать ті з них, вміст яких не нижчий за 0,01%. Їхні основні функції представлені у вигляді таблиці.

Сподіваємося, з перерахованого нескладно визначити, які хімічні елементи входять до складу клітини та належать до макроелементів.

Мікроелементи

Є й такі складові клітини, без яких організм не може нормально функціонувати, проте їх вміст завжди менший за 0,01%. Давайте визначимо, які хімічні елементи входять до складу клітини та відносяться до групи мікроелементів.

Органічні та неорганічні речовини

Крім перелічених, ще якісь хімічні елементи входять до складу клітини? Відповіді можна знайти, просто вивчивши будову більшості речовин організму. Серед них виділяють молекули органічного та неорганічного походження, і кожна з цих груп має у складі фіксований набір елементів.

Основні класи органічних речовин - це білки, нуклеїнові кислоти, жири та вуглеводи. Вони побудовані повністю з основних біогенних елементів: скелет молекули завжди утворений вуглецем, а водень, кисень та азот входять до складу радикалів. У тварин домінуючим класом є білки, а рослин - полісахариди.

Неорганічні речовини – це все мінеральні солі та, звичайно ж, вода. Серед усієї неорганіки у клітині найбільше Н 2 Про, у якій розчинені інші речовини.

Все сказане вище допоможе вам визначити, які хімічні елементи входять до складу клітини, та їх функції в організмі більше не будуть для вас загадкою.

1. Дайте визначення понять.
Елемент- Сукупність атомів з однаковим зарядом ядра і числом протонів, що збігаються з порядковим (атомним) номером у таблиці Менделєєва.
Мікроелемент - Елемент, який в організмі знаходиться в дуже низьких концентраціях.
Макроелемент - Елемент, який в організмі знаходиться у високих концентраціях.
Біоелемент- Хімічний елемент, що бере участь у життєдіяльності клітини, становить основу біомолекул.
Елементний склад клітини - Відсотковий вміст хімічних елементів у клітині.

2. Що є одним із доказів спільності живої та неживої природи?
Єдність хімічного складу. Жодних елементів, характерних тільки для неживої природи, не існує.

3. Заповніть таблицю.

ЕЛЕМЕНТНИЙ СКЛАД КЛІТИНИ

4. Наведіть приклади органічних речовин, молекули яких складаються з трьох, чотирьох та п'яти макроелементів.
3 елементи: вуглеводи та ліпіди.
4 елементи: білки.
5 елементів: нуклеїнові кислоти, білки.

5. Заповніть таблицю.

БІОЛОГІЧНА РОЛЬ ЕЛЕМЕНТІВ

6. Вивчіть у § 2.2 розділ «Роль зовнішніх факторів у формуванні хімічного складу живої природи» і дайте відповідь на запитання: «Що таке біохімічні ендемії, і які причини їх походження?»
Біохімічні ендемії – це захворювання рослин, тварин і людини, викликані різким недоліком чи надлишком будь-якого елемента у певній області.

7. Які вам відомі захворювання, пов'язані з нестачею мікроелементів?
Нестача йоду – ендемічний зоб. Зниження синтезу тироксину та розростання внаслідок цього тканин щитовидної залози.
Нестача заліза – залізодефіцитна анемія.

8. Згадайте, за якою ознакою хімічні елементи розподіляють на макро-, мікро- та ультрамікроелементи. Запропонуйте свою альтернативну класифікацію хімічних елементів (наприклад, за функціями в живій клітині).
Мікро-, макро- та ультрамікроелементи діляться за ознакою, заснованою на процентному вмісті їх у клітині. Крім того, можна класифікувати елементи за функціями, що регулюють діяльність певних систем органів: нервової, м'язової, кровоносної та серцево-судинної, травної тощо.

9. Виберіть правильну відповідь.
Тест 1.
Якими хімічними елементами утворено більшість органічних речовин?
2) З, Про, Н, N;

Тест 2.
До макроелементів не належить:
4) марганець.

Тест 3.
Живі організми потребують азоту, оскільки він служить:
1) складовим компонентом білків та нуклеїнових кислот; 10. Визначте ознаку, за якою всі нижчеперелічені елементи, крім одного, об'єднані в одну групу. Підкресліть цей "зайвий" елемент.
Кисень, водень, сірка, залізо, вуглець, фосфор, азот. Входить до складу лише ДНК. А решта все в білках.

11. Поясніть походження та загальне значення слова (терміну), спираючись на значення коренів, що його складають.

12. Виберіть термін і поясніть, наскільки його сучасне значення відповідає початковому значенню його коріння.
Вибраний термін- Органоген.
Відповідність:термін, у принципі, відповідає своєму первісному значенню, але сьогодні є більш точне визначення. Раніше значення було таким, що елементи бере участь лише у побудові тканин та клітин органів. Тепер з'ясовано, що біологічно важливі елементи як утворюють хімічні молекули у клітинах тощо., а й регулюють всі процеси у клітинах, тканинах і органах. Вони входять до складу гормонів, вітамінів, ферментів та інших біомолекул.

13. Сформулюйте та запишіть основні ідеї § 2.2.
Елементний склад клітини - це відсотковий вміст хімічних елементів у клітині. Елементи клітини прийнято класифікувати, залежно від їхнього відсоткового вмісту, на мікро-, макро- та ультрамікроелементи. Ті елементи, які беруть участь у життєдіяльності клітини, є основою біомолекул, називаються біоелементи.
До макроелементів відносяться: C N H O. Вони – головні компоненти всіх органічних сполук у клітині. Крім того, PS K Ca Na Fe Cl Mg – входять до складу всіх найважливіших біомолекул. Без них неможливе функціонування організму. Нестача їх призводить до смерті.
До мікроелементів: Al Cu Mn Zn Mo Co Ni I Se Br F B та ін. Вони також потрібні для нормального функціонування організму, але не так критично. Нестача їх викликає хвороба. Вони входять до складу біологічно активних сполук, впливають обмін речовин.
Є ультрамікроелементи: Au Ag Be та ін. Фізіологічна роль остаточно не встановлена. Але вони важливі клітини.
Існує поняття «біохімічні ендемії» – захворювання рослин, тварин і людини, викликані різким недоліком чи надлишком будь-якого елемента у певній області. Наприклад, ендемічний зоб (недолік йоду).
При нестачі елемента через спосіб живлення може виникнути захворювання або нездужання. Наприклад, при нестачі заліза – анемія. При нестачі кальцію – часті переломи, випадання волосся, зубів, біль у м'язах.

У сучасних умовах однією з найактуальніших проблем викладання хімії стає забезпечення практичної орієнтованості предметного знання. Це означає необхідність з'ясування тісного взаємозв'язку між теоретичними положеннями, що вивчаються, і практикою життя, демонстрації прикладного характеру хімічних знань. Учні цікаво починають вивчати хімію. Щоб зберегти пізнавальний інтерес учнів, потрібно переконати їх у дієвості хімічних знань, сформувати особисту потреба у оволодінні навчальним матеріалом.

Мета цього уроку:розширити кругозір учнів та підвищити пізнавальний інтерес до вивчення предмета, формувати світоглядні поняття про пізнання природи. Цей урок пропонується провести у 8 класі після вивчення хімічних елементів Періодичної системи, коли у хлопців вже є уявлення про їхнє різноманіття.

ХІД УРОКУ

Вчитель:

Іншого нічого в природі немає
Ні тут, ні там, у космічних глибинах:
Усі – від піщинок малих до планет –
Із елементів складається єдиних.
Як формула, як графік трудовий,
Строй Менделєєвської системи суворий.
Навколо тебе твориться світ живий,
Заходь у нього, вдихай, руками чіпай.

Урок починається театралізованою сценкою "Хто в таблиці всіх важливіших?" (Див. Додаток 1).

Вчитель:В організмі людини знаходяться 81 хімічний елемент із 92, що зустрічаються в природі. Людський організм – складна хімічна лабораторія. Важко уявити, що щодня наше самопочуття, настрій і навіть апетит можуть залежати від мінеральних речовин. Без них марними виявляються вітаміни, неможливі синтез та розпад білків, жирів та вуглеводів.

На столах в учнів – таблиці “Біологічна роль хімічних елементів” (див. Додаток 2). Надається час на знайомство з нею. Вчитель разом із учнями проводить аналіз таблиці, ставлячи питання.

Вчитель:Основу життя становлять шість елементів перших трьох періодів (H, C, N, Про, Р, S), частку яких припадає 98% маси живої речовини (інші елементи періодичної системи становлять не більше 2%).
Три основні ознаки біогенних елементів (H, C, N, O, P, S):

• малий розмір атомів,
• невелика відносна атомна маса,
• здатність утворювати міцні ковалентні зв'язки.

Учням лунають тексти (див. Додаток 3). Завдання: уважно прочитати текст; виділити елементи, необхідні життя, і елементи, небезпечні живих організмів; знайти їх у Періодичній системі та пояснити їх роль.
Після виконання завдання кілька учнів проводять аналіз різних текстів.

Вчитель:Елементи-аналоги в природному середовищі вступають у конкуренцію і можуть взаємозамінюватися в живих організмах, негативно впливаючи на них.
Заміна натрію та калію в організмах тварин та людини на літій викликає розлади нервової системи, тому що в цьому випадку клітини не проводять нервовий імпульс. Подібні порушення призводять до шизофренії.
Талій, біологічний конкурент калію, замінює його у стінках клітин, вражає центральну та периферичну нервову систему, шлунково-кишковий тракт та нирки.
Селен може замінити сірку у складі білків. Це єдиний елемент, який при високому вмісті в рослинах може спричинити раптову смерть тварин і людини, яка їх у їжу.
Кальцій при його нестачі у ґрунті замінюється в організмі на стронцій, який поступово порушує нормальну структуру скелета. Особливо небезпечною є заміна кальцію на стронцій-90, який у величезних кількостях накопичується в місцях ядерних вибухів (при випробуванні ядерної зброї) або при аваріях на АЕС. Цей радіонуклід руйнує мозок.
Кадмій конкурує із цинком. Цей елемент знижує активність травних ферментів, порушує процес утворення глікогену в печінці, викликає деформацію скелета, пригнічує ріст кісток, а також викликає тяжкі болі в попереку та м'язах ніг, крихкість кісток (наприклад, перелом ребер при кашлі). Інші негативні наслідки – рак легень та прямої кишки, порушення функції підшлункової залози. Ураження нирок, зниження вмісту у крові заліза, кальцію, фосфору. Цей елемент гальмує процеси самоочищення у водних та наземних рослинах (зазначається, наприклад, 20-30-кратне збільшення кадмію в листі тютюну).
Галогени можуть дуже легко взаємозамінюватися в організмі. Надлишок фтору у навколишньому середовищі (фторована вода, забруднення ґрунту сполуками фтору навколо підприємства з виробництва алюмінію та інші причини) перешкоджає надходженню в організм людини йоду. У зв'язку з цим виникають захворювання щитовидної залози, ендокринної системи загалом.

Повідомлення учнів підготовлені заздалегідь.

1-й учень:

Середньовічні алхіміки вважали золото досконалістю, інші метали – помилкою в акті твори і, як відомо, прикладали великі зусилля до ліквідації цієї помилки. Ідею введення золота у медичну практику приписують Парацельсу, який проголосив, що метою хімії має бути не перетворення всіх металів на золото, а приготування ліків. Лікарські препарати із золота та його сполук намагалися застосовувати при багатьох захворюваннях. Їм лікували проказу, вовчак, туберкульоз. У людей, чутливих до золота, воно могло спричинити порушення складу крові, реакцію з боку нирок, печінки, впливати на настрій, зростання зубів, волосся. Золото забезпечує роботу нервової системи. Воно міститься у кукурудзі. А міцність кровоносних судин залежить від германію. Єдиний продукт харчування, що містить германій, – часник.

2-й учень:

У людському організмі найбільша кількість міді міститься в мозку та печінці, і одна ця обставина вказує на її важливість у життєдіяльності. Виявлено, що при болях підвищується концентрація міді у крові та спинномозковій рідині. У Сирії та Єгипті новонародженим для профілактики рахіту та епілепсії надягають мідні браслети.

3-й учень:

АЛЮМІНІЙ

Алюмінієвий посуд називають посудом бідняків, оскільки цей метал сприяє розвитку старечого атеросклерозу. При приготуванні їжі в посуді алюміній частково переходить в організм, де і накопичується.

4-й учень:

• Який елемент міститься у яблуках? (Залізо.)
• Яка його біологічна роль? (В організмі міститься 3 г заліза, з них 2 г – у крові. Залізо входить до складу гемоглобіну. Недостатній вміст заліза призводить до головного болю, швидкої стомлюваності.)

Потім учні проводять лабораторний досвід, мета якого експериментально довести дію солей деяких металів на білок. Вони змішують білок із розчинами лугу та мідного купоросу та спостерігають випадання фіолетового осаду. Роблять висновок про руйнування білка.

5-й учень:

Людина – адже вона теж природа.
Адже він теж захід сонця і схід.
І чотири в ньому пори року.
І особливий у ньому музики хід.

І особливе таїнство кольору,
То з жорстоким, то з добрим вогнем.
Людина – вона зима. Або літо.
Або осінь. З грозою та дощем.

Все вмістив у собі – версти та час.
І від атомних бур він осліп.
Людина – вона і ґрунт, і насіння.
І бур'ян серед поля. І хліб.

І яка в ньому блимає погода?
Скільки у ньому самотності? Зустріч?
Людина – адже вона теж природа…
Тож давайте природу берегти!

(С. Островий)

Для закріплення отриманих під час уроку знань проводиться тест “Посмішка” (див. Додаток 4).
Далі пропонується заповнити кросворд "Хімічний калейдоскоп" (див. Додаток 5).
Вчитель підбиває підсумок уроку, відзначаючи найактивніших учнів.

6-й учень:

Зміна, зміна!
Заливається дзвінок.
Нарешті він закінчений,
Набридливий урок!

Смикнувши сірку за кіску,
Повз магній пробіг.
Йод із класу випарувався,
Ніби зовсім не бував.

Фтор випадково підпалив воду,
Хлор чужу книжку з'їв.
Вуглець раптом із воднем
Невидимкою стати встиг.

Калій, бром у кутку б'ються:
Чи не поділять електрон.
Кисень – пустун на борі
Повз проскакав верхи.

Використовувана література:

1. О.В. БайдалинаПро прикладний аспект хімічних знань. "Хімія в школі" № 5, 2005 р.
2. Хімія та екологія у шкільному курсі. "Перше вересня" № 14, 2005 р.
3. І. Н. Піменова, А. В. Піменов"Лекції із загальної біології", навчальний посібник, Саратов, ВАТ Видавництво "Ліцей", 2003 р.
4. Про хімію у віршах, Хто в таблиці найголовніший? "Перше вересня", № 15, 2005 р.
5. Метали в організмі людини. "Хімія в школі", № 6, 2005 р.
6. Кросворд "Хімічний калейдоскоп". "Перше вересня", №1 4, 2005 р.
7. "Я йду на урок хімії". Книжка для вчителя. М. "Перше вересня", 2002 р., Стор. 12.

Хімічний склад клітин

Макроелементи, їх роль клітині. У клітинах різних організмів виявлено близько 70 елементів періодичної системи елементів Д. І. Менделєєва, але лише 24 з них мають цілком встановлене значення і зустрічаються постійно у всіх типах легень.

Найбільша питома вага в елементному складі клітини посідає кисень, вуглець, водень і азот. Це звані основні, чи біогенні, елементи. Атоми цих елементів утворюють молекули всіх органічних речовин клітин; на їхню частку припадає понад 95% маси клітин, причому відносний вміст елементів у живій речовині набагато вищий, ніж у земній корі. До основних елементів органічних молекул відносяться також фосфор та сірка.

Життєво важливими є, крім того, кальцій, магній, калій, натрій та хлор (у клітинах тварин), що входять до складу клітини у вигляді іонів. Їх вміст у клітині обчислюється десятими та сотими частками відсотка. Перелічені елементи становлять групу макроелементів.

Іони кальцію беруть участь у регуляції низки клітинних процесів, зокрема м'язового скорочення та інших рухових функцій, і навіть у згортанні крові. Нерозчинні солі кальцію беруть участь у формуванні кісток і зубів, карбонат кальцію – у освіті раковин молюсків, зміцненні оболонок клітин деяких видів рослин. Концентрація іонів магнію важлива підтримки цілісності і функціонування рибосом. Крім того, магній входить до складу хлорофілу та підтримує нормальну роботу мітохондрій.

Іони калію та натрію беруть участь у підтримці певної іонної сили та створенні буферного середовища, регулюють осмотичний тиск у клітині, зумовлюють нормальний ритм серцевої діяльності, забезпечують передачу нервового імпульсу. Хлор у вигляді аніонів бере участь у створенні сольового середовища тварин організмів (для рослин хлор є мікроелементом) і крім того іноді входить до складу органічних сполук.

Мікроелементи, їх роль клітині. Інші хімічні елементи – мідь, марганець, залізо, кобальт, цинк, а також (для деяких організмів) бор, фтор, хром, селен, алюміній, кремній, молібден та йод – містяться у невеликих кількостях (не більше 0,01% маси клітин). Вони належать до групи мікроелементів.

Відсотковий вміст в організмі того чи іншого елемента аж ніяк не характеризує ступінь його важливості та необхідності в організмі. Кобальт, наприклад, входить до складу вітаміну В12, йод - до складу гормонів тироксину та тироніну, а мідь - до складу ферментів, що каталізують окисно-відновні процеси; крім того, мідь бере участь у перенесенні кисню в тканинах молюсків. Залізо є складовою комплексів, що виконують ряд життєво важливих функцій. До них відносяться, наприклад, гем гемоглобіну, деякі ферменти та переносники електронів (цитохром С).

Значна кількість ферментів з різноманітним механізмом дії містять іони цинку, марганцю, кобальту та молібдену.

Кремній зустрічається у діатомових водоростей, хвощів, губок та молюсків. У хрящах і зв'язках хребетних тварин його зміст може досягати кількох сотих часток відсотка.

Бор впливає зростання рослин, фтор входить до складу емалі зубів і кісток.