Блог вчителя хімії та біології : урок 3 Елементний склад живих організмів.

урок 3

Тема: Елементний склад живих організмів. Класифікація хімічних елементів

І. Повторення. Дайте відповіді на запитання:

1. Скільки хімічних елементів розміщено в Періодичній системі?

2. З якими хімічними елементами ви вже детально познайомилися
в курсі неорганічної хімії?

3. Що спільного між живою та неживою природою?

4. Чи є якісь особливі хімічні елементи, які б входили лише до складу живих організмів?

Словник: Біохімія, або біологічна хімія - наука, що вивчає хімічний склад живих організмів, будову, властивості та роль виявлених у них сполук, шляхи їхнього виникнення та перетворення.
Макроелементи -
Мікроелементи -
Органогенні елементи -

IІ. Вивчення матеріалу нової теми.

Що ж вивчає біохімія?

Ця наука як галузь біології сформувалась у другій половині XIX століття.

Сучасна біохімія досліджує живу матерію на різних рівнях її організації: молекулярному, клітинному, організмовому. Одне з основних її завдань – з'ясування механізмів регуляції життєдіяльності клітин і організму в цілому, які забезпечують єдність процесів обміну речовин та перетворення енергії в організмі.

Який елементарний хімічний склад живих організмів?

Хімічний склад організмів, на відміну від об'єктів неживої природи, відносно сталий. З понад 100 різних типів атомів хімічних елементів та їхніх ізотопів у живих організмах виявляють майже 60. Одні з них є обов'язковими в усіх організмах без винятку, інші – лише в окремих. Разом з тим у живих організмах не виявлено жодного з хімічних елементів, якого б не було в неживій природі. Це одне зі свідчень єдності живої і неживої природи.

Переглянути презентацію: Елементний склад організмів

Залежно від вмісту в організмах хімічні елементи поділяють на три групи. Розглянемо їх заповнивши таблицю.

Хімічні елементи живих організмів

Макроелементи	Мікроелементи	Ультрамікроелементи
Становлять від 10 до 0,001 % маси тіла	Становлять від 0,001 до 0,00001 % маси тіла	Становлять менше 0,000001 % маси тіла
C, H, O, N, P, S, Na, K, Mg, Ca, Cl	Fe, Cu, Zn, Mn, Co, I, Mo, V, Ni, Cr, F, Se, Si, Sn, B, As	U, Ra, Au, Hg, Ag…

Найбільше в організмах так званих макроелементів, тобто хімічних елементів, сумарна частка яких – близько 99,9% їхньої маси. До них належать Гідроген, Карбон, Нітроген, Оксиген, Кальцій, Калій, Натрій, Ферум, Магній, Сульфур, Хлор, Фосфор (див. табл. 4.1). Перші чотири з них відносять до органогенних елементів, оскільки їхня сумарна частка становить майже 98% маси живих істот. Крім того, ці елементи є основними складовими органічних сполук, про які йтиметься в наступній темі.

Важко переоцінити роль органогенних елементів у забезпеченні нормального функціонування організмів.

1. З атомів Гідрогену й Оксигену складаються молекули води. Кисень (О₂) відіграє важливу роль у процесі дихання організмів. Надходячи в організм живої істоти під час дихання, він забезпечує окиснення різних органічних сполук. Унаслідок цих процесів вивільняється енергія, що забезпечує різноманітні процеси життєдіяльності. Лише деякі організми, переважно бактерії та паразитичні тварини, можуть існувати за відсутності кисню; їх називають анаеробними.

2. Атоми Нітрогену входять до складу мінеральних сполук, які споживають з ґрунту рослини. Сполуки Нітрогену сприяють росту рослин, підвищенню їхньої зимостійкості. Азот (N₂) переважає серед інших атмосферних газів (близько 79%). І хоча для більшості живих істот цей газ інертний, його можуть засвоювати з атмосфери деякі організми (наприклад, азотфіксуючі бактерії, ціанобактерії). Завдяки цьому сполуки Нітрогену надходять у ґрунт, зберігаючи та підвищуючи його родючість (мал. 4.1).

Оскільки Нітроген входить до складу білків та інших органічних речовин, його сполуки необхідні для нормального росту організмів. А ще Нітроген входить до складу хітину – складової клітинної стінки грибів і зовнішнього скелета членистоногих (мал. 4.2), яка надає їм додаткової міцності.

3. Вміст Карбону становить 15 – 18 % від маси клітини. Він входить до складу молекул усіх органічних і багатьох неорганічних сполук; до складу зовнішнього скелету ракоподібних, черепашок молюсків та форамініфер; до складу внутрішнього скелету хребетних тварин; є складовою частиною вуглекислого газу. Карбон у складі СО₂забезпечує повітряне живлення рослин і деяких інших організмів, здатних до фотосинтезу (пурпурні та зелені сіркобактерії, ціанобактерії, деякі одноклітинні тварини). Ці автотрофні організми фіксують СО₂ й використовують Карбон для синтезу власних органічних речовин. А далі по ланцюгах живлення створені ними органічні сполуки передаються гетеротрофним організмам, наприклад тваринам.

Роль макроелементів

4. Кальцій є дуже важливим макроелементом в організмі людини – 95% всього кальцію входить до складу кісток, де разом із фосфором утворює мінеральну основу скелета людини. Сполуки Кальцію входять до складу черепашок молюсків, деяких одноклітинних тварин (форамініфер), панцирів раків, кісток і зубів хребетних тварин тощо. Важливе значення має достатнє надходження сполук Кальцію до організму дітей і вагітних жінок. Нестача сполук Кальцію в дітей може спричинити викривлення кісток – рахіт. Посилені витрати сполук Кальцію в організмі вагітних жінок пов'язані з тим, що в цей час формується скелет зародка. Сполуки Кальцію містять курячі яйця, молочні продукти, зокрема м'який сир тощо.

5. Калій та Натрій – одні з основних позитивно заряджених іонів живих організмів, що беруть участь у забезпеченні транспорту сполук через клітинні мембрани. Калій і Натрій були відкриті разом і обидва важливі для нормального росту і стану організму. Вони є антагоністами на клітинному рівні, тобто підвищення вмісту натрію призводить до зменшення калію в клітині.

Калій сприяє регуляції роботи серця та нервової системи. Натрій входить до складу плазмикрові.

Сполуки Калію необхідні для нормальної діяльності нервової та серцево-судинної систем, мускулатури. Важлива роль сполук Калію і Кальцію в регуляції роботи серця: підвищена концентрація йонів Са²⁺прискорює роботу серця, а йонів К⁺ – уповільнює. Ці особливості впливу йонів К⁺використовують для створення ліків, що нормалізують роботу серця. Багато сполук Калію міститься в картоплі, фруктах (абрикосах, сливах тощо). Загальний вміст калію в організмі людини становить приблизно 250 г. Добова потреба в калії становить 1,5 – 2 м.

Кращими натуральними джерелами калію є цитрусові, томати, всі зелені овочі з листям, листя м'яти, насіння соняшнику, банани, картопля.

6. Атом Феруму входить до складу дихального пігменту – гемоглобіну (мал. 4.3,2). Гемоглобін здатний зв'язувати гази та транспортувати їх по організму. Тому за умови нестачі в організмі Феруму чи при порушенні засвоєння цього хімічного елемента можуть порушуватися процеси утворення еритроцитів, виникає захворювання – недокрів'я, або анемія. Сполуки Феруму, необхідні для кровотворення, містяться в яблуках та інших продуктах рослинного походження (абрикосах, зелені петрушки тощо), а також печінці та яйцях. Без оксидів заліза, особливо FeO, неможливе життя рослин. Залізо входить як необхідна складова частина в кожну рослину. У той же час занадто велику кількість заліза також негативно відбивається на рослинах.

7. Сполуки Феруму та Магнію необхідні рослинам для того, щоб в їхніх клітинах утворювався пігмент хлорофіл. Атом Магнію входить до складу молекули хлорофілу, а для синтезу хлорофілу необхідна наявність Феруму. За нестачі або відсутності цих хімічних елементів листки рослин стають блідо-зеленими чи взагалі втрачають зелений колір. Унаслідок цього процеси фотосинтезу порушуються або припиняються, і рослина зрештою гине. Таке захворювання має назву хлороз (мал. 4.3, 2).

8. Фосфор сприяє роботі головного мозку, бере участь у формуванні скелета тощо. Сполуки Фосфору в значних кількостях потрібні й рослинам. Зокрема, вони сприяють швидшому дозріванню плодів і забезпечують зимостійкість рослин. Сполуки Фосфору надходять до нашого організму з молоком і молочними продуктами, рибою, яйцями та ін.

9. Хлор – основний негативно заряджений іон живих організмів. Входить до складу хлороводневої кислоти – складової шлункового соку. Разом із Натрієм Хлор є складовою частиною плазми крові у концентрації 0,9 %.

10. Сульфур входить до складу білка кератину, який входить до складу пір’я і волосся, а також до складу інших біологічно важливих органічних речовин.

Понад 60 хімічних елементів належать до групи мікроелементів (Йод, Кобальт, Манган, Купрум, Молібден, Цинк тощо).Серед них виділяють групу ультрамікроелементів (Плюмбум, Бром, Аргентум, Аурум та ін.), відсотковий вміст яких ще нижчий. Мікроелементи, що містяться в клітині, входять до складу органічних і неорганічних сполук або перебувають у вигляді йонів.

Хоча вміст мікроелементів в організмах незначний, їхня роль у забезпеченні нормального функціонування організмів є дуже важливою. Послухаємо повідомлення наших експертів.

11. Йод необхідний для того, щоб щитоподібна залоза виробляла гормони (тироксин, трийодтиронін). Недостатнє надходження Йоду в організм людини з їжею чи водою може спричинити порушення синтезу цих гормонів. Це може призвести до важких захворювань людини, пов'язаних з порушенням обміну речовин, як-от мікседеми, кретинізму. У людей, що мешкають у місцевостях, де вода та ґрунт містять мало Йоду, часто розвивається захворювання ендемічний зоб (ендемічний уперекладі з грецької – місцевий, притаманний даній місцевості), коли розростаються тканини щитоподібної залози (мал. 4.4).

При цьому виробляється менше від норми гормону тироксину. Для профілактики йододефіциту в таких місцевостях йодують сіль: до кухонної солі додають калій йодид. Багато сполук Йоду містять бурі водорості, наприклад, ламінарія, або морська капуста.

12. Флуор входить до складу емалі зубів, надає їй міцності. Нестача цього елемента в організмі призводить до руйнування емалі зубів. Як ви пригадуєте, це захворювання називають карієсом (мал. 4.5). Тому, обираючи зубну пасту, звертайте увагу на вміст у ній Флуору і Кальцію, які зміцнюють зуби. Ці елементи є і в деяких продуктах харчування: молоці, сирах, шпинаті тощо.

13. Цинк – компонент деяких ферментів та гормонів. Цинк необхідний для утворення гормонів підшлункової залози. Приймає участь у анаеробному диханні рослин, транспорті вуглекислого газу в крові. Необхідний при розкладі органічних речовин у водному середовищі. А також є невід’ємним при поділі клітин.

14. Кобальт і Купрум – необхідні для процесів кровотворення. Кобальт входить до складу вітаміну В₁₂ (ціанкобаламіну), нестача якого в організмі призводить до злоякісного недокрів'я (анемії). Для людини основним джерелом надходження вітаміну В₁₂ є продукти харчування тваринного походження –печінка великої рогатої худоби, нирки, м'ясо, сир, рибні продукти тощо.

15. Сполуки Силіцію входять до складу опорних структур деяких організмів: клітинних стінок хвощів, панцирів діатомових водоростей, внутрішньоклітинного скелета радіолярій, скелета деяких губок тощо. Разом з тим потрапляння сполук Силіцію в органи дихання може порушити їхнє функціонування. Так, унаслідок довготривалого вдихання виробничого пилу, що містить SiO₂, виникає небезпечне захворювання легень – силікоз. Тому людям, робота яких пов'язана з промисловим пилом (наприклад, шахтарям), слід захищати дихальні шляхи за допомогою марлевих пов'язок або респіраторів.

16. Важливим біометалом є Манган. Він бере участь в обміні речовин в рослинних клітинах нарівні з іонами магнію. Манган може й змінювати магній в деяких біохімічних процесах. Відсутність Мангану в раціоні харчування тварин може привести до їх загибелі. В організмі людини Манган входить до складу двох ферментів і активізує дію багатьох інших ферментів. Він стимулює синтез холестерину і жирних кислот; сприяє кращому засвоєнню заліза і міді, активізуючи процес кровоутворення, сприяє утворенню інсуліну в підшлунковій залозі, бере участь у синтезі життєво-необхідного вітаміну С. Манган в надмірній кількості може призвести до негативного впливу на живі організми. Викликати зміни в роботі нервової та кровоносної систем. Манган міститься в багатьох продуктах. Добова потреба Мангану 3 – 5 мг. Манган міститься майже у всіх харчових продуктах. Найбільше у житньому та пшеничному хлібі, крупах гречаних та перлових, пшоні, квасолі, горосі, рисі, буряку, хроні, кропі, петрушці, малині, щавлі. В добовому раціоні людини повинні бути продукти, які містять Манган.

17.Молібден є складовою частиною деяких ферментів. Приймає участь у синтезі амінокислот у рослин, допомагає у фіксації Нітрогену з атмосфери та переробці спиртів.

ІІІ. Узагальнення й систематизація знань.

Виконаємо вправи:

1) Розглянути схему 1 та таблицю 1 і дати відповідь на питання: Чи залежить значення хімічного елемента для живих організмів від його кількісного вмісту?