Молекулы минеральных веществ и их функции. §8

1). Играют роль кофакторов в энзиматических реакциях. Так, многие ионы образуют комплексы с белками, в том числе ферментами. Последние для полного проявления своей каталитической активности нуждаются в присутствии минеральных кофакторов – ионов калия, кальция, натрия, магния, железа. Ионы железа, меди и особенно магния необходимы для активации ферментов, связанных с переносом и высвобождением энергии, транспорта и связывания кислорода.

2). Принимают участие в поддержание осмотического давления и кислотно-основного равновесия (фосфатный и гидрокарбонатный буферы).

3). Обеспечивают процессы свертывания крови,

4). Создают мембранный потенциал и потенциал действия возбудимых клеток

5). Минеральные вещества входят в структуры самых различных органов тела. Неорганические вещества могут иметь в организме форму нерастворимых соединений (например, в костной и хрящевой тканях).

6). Участвуют в окислительно-восстановительных реакциях и др.

Большую роль в минеральном обмене играют ионы натрия и калия. Эти катионы определяют величину рН, осмотическое давление, объем жидкостей тела. Они участвуют в формировании биоэлектрических потенциалов, в транспорте аминокислот, сахаров и ионов через мембрану клеток. Натрий составляет 93% всех катионов плазмы крови, его концентрация в плазме крови равна 135-145 ммоль/л. Калий – в основном внутриклеточный катион, в плазме крови его концентрация равна 3,3-4,9 ммоль/л.

В организме здорового человека массой тела около 70 кг содержится 150-170 г натрия. Из них 25-30% входят в состав костей и непосредственного участия в метаболизме не принимают. Около 70% общего натрия в организме составляет собственно обменный натрий.

Дневной пищевой рацион жителей цивилизованных стран содержит в среднем 10-12 г хлорида натрия, однако истинная потребность человека в нем значительно ниже и приближается к 4-7 г. Это количество хлорида натрия содержится в обычной пище, что ста­вит под сомнение необходимость ее дополнительного подсаливания.

Избыточный прием поваренной солиможет приводить к увеличению объемов жидкостей тела, повышению нагрузки на сердце и почки. Увеличение в этих условиях проникновения натрия, а с ним и воды в межклеточные промежутки тканей стенки кровеносных сосудов способствует их набуханию и утолщению, а также сужению просвета сосудов.

Постоянство содержания ионов натрия и калия в плазме крови поддерживается в основном почками. При снижении концентра­ции натрия и увеличении калия повышается реабсорбция натрия и снижается реабсорбция калия, а также растет секреция калия в почечных канальцах под влиянием минералокортикоида коры надпочечников альдостерона.

В организме здорового человека массой 70 кг содержится 45-35 ммоль/кг калия. Из них всего 50-60 ммоль находятся во внеклеточном пространстве, а остальной калий сосредоточен в клетках. Таким образом, калий является основным внутриклеточным катионом. С возрастом общее содержание калия в организме уменьшается.

Суточное потребление калия составляет 60-100 ммоль; почти столько же выводится почками и лишь немного (2%) – с каловыми массами.

Физиологическая роль калия заключается в его участии во всех видах обмена веществ, в синтезе АТФ и поэтому он влияет на сократимость. Недостаток его вызывает атонию скелетных мышц, умеренный избыток – повышение тонуса, а очень высокое содержание парализует мышечное волокно. Калий вызывает расширение сосудов. Также он участвует в синтезе ацетилхолина, в разрушении холинэстеразы и, следовательно, влияет на синаптическую передачу возбуждения. Вместе с другими ионами он обеспечивает клетке способность к возбуждению.

Хлор является вторым после натрия внеклеточным анионом. Его концентрация во внеклеточной жидкости и плазме составляет 103-110 ммоль/л. Общее содержание хлора в организме около 30 ммоль/кг. Значительное количество хлора обнаружено только в клетках слизистой оболочки желудка. Именно он является резервом для синтеза соляной кислоты желудочного сока, соединяясь с ионами водорода, которые извлекаются из крови клетками слизистой оболочки и выводятся в просвет желудка.

Нормальное содержание кальция в плазме 2,1-2,6 ммоль/л. Из них 50% связаны с белками плазмы (особенно альбуминами), 10% входят в состав растворимых комплексов, 40% находятся в свободной ионизирован­ной форме, которая с клинической точки зрения представляет наибольший интерес.

Физиологически активными являются только свободные ионы Са 2+ , поэтому регуляция обмена направлена на поддержание постоянства концентрации в плазме не общего кальция, а только его физиологически активной фракции.

Наибольшей функциональной активностью обладают ионы кальция, связанные с ионом фосфора. Кальций принимает активное участие в процессах возбуждения, синаптической передачи, мышечного сокращения, сердечной деятельности, участвует в окислительном фосфорилировании углеводов и жиров, в свертывании крови, влияет на проницаемость клеточных мембран, формирует структурную основу костного скелета. Значительная часть внутриклеточного кальция находится в эндоплазматической сети (Т-цистерны).

Главная роль в регуляции равновесия между кальцием плазмы и кальцием костей принадлежит гормону околощитовидных желез (паратирин).

При употреблении пищи, содержащей значительное количество каль­ция, большая его часть выделяется через кишечник в результате осаждения в основной кишечной среде в виде нерастворимых соединений.

Фосфор поступает в организм главным образом с молочными, мясными, рыбными и зернобобовыми продуктами. Его концентрация в сыворотке крови равна 0,81-1,45 ммоль/л. Суточная потребность в фосфоре составляет примерно 1,2 г, у беременных и кормящих женщин – до 1,6-1,8 г. Фосфор является анионом внутриклеточной жидкости, макроэргических соединений, коферментов тканевого дыхания и гликолиза. Нерастворимые фосфаты кальция составляют основную часть минерального компонента костей, придавая им прочность и твердость. Соли фосфорной кислоты и ее эфиров являются компонентами буферных систем поддержания кислотно-основного состояния тканей.

Железонеобходимо для транспорта кислорода и для окислительных реак­ций, так как оно входит в состав гемоглобина и цитохромов митохондрий. Его концентрация в крови в комплексе с транспортным белком трансферрином в норме равна 1,0-1,5 мг/л. Суточная потребность в железе для мужчин соответствует 10 мг, для женщин де­тородного возраста в связи с менструальны­ми кровопотерями эта величина значительно больше и приближается к 18 мг. Для бере­менных и кормящих женщин в связи с по­требностями детского организма этот па­раметр приближается соответственно к 33 и 38 мг. Железо содержится в мясе, печени, зернобобовых продуктах, гречневой и пшенной крупах. Недостаточность поступления железа в организм встречается часто. Так, у 10-30% женщин детородного возраста выявляется железодефицитная анемия.

Йод представляет собой единственный из известных микроэлементов, участвующих в построении молекул гормонов. Источниками йода являются морские растения и морская рыба, мясо и молочные продукты. Концентрация йода в плазме крови равна 10-15 мкг/л. Суточная потребность составляет 100-150 мкг, для беременных и кормящих женщин – 180-200 мкг. До 90% циркулирующего в крови органического йода приходится на долю тироксина и трийодтиронина. Недостаточное поступление в организм йода может быть причиной нарушения функций щитовидной железы.

Фторобеспечивает защиту зубов от карие­са. Суточная потребность во фторе равна 0,5-1,0 мг. Он поступает в организм с питьевой водой, рыбой, орехами, печенью, мясом, продуктами из овса. Предполагают, что он блокирует микро­элементы, необходимые для активации бактериальных ферментов. Фтор стимулирует кроветворение, реакции иммунитета, предуп­реждает развитие старческого остеопороза.

Магний – внутриклеточный катион (Mg 2+), содержащийся в организме в количестве 30 ммоль/кг массы тела. Кон­центрация магния в плазме крови равна 0,65-1,10 ммоль/л. Суточная потребность в нем – около 0,4 г. Магний является катализатором многих внутриклеточных процессов, особенно свя­занных с углеводным обменом. Он снижает возбудимость нервной системы и сокра­тительную активность скелетных мышц, спо­собствует расширению кровеносных сосудов, уменьшению частоты сокращений сердца и снижению артериального давления.

Неорганические ионы, или минеральные вещества, выполняют в организме следующие функции:

1. Биоэлектрическая функция. Эта функция связана с воз­никновением разности потенциалов на клеточных мембранах. Градиент концентрации ионов по обе стороны мембраны создаёт в разных клетках потенциал порядка 60-80 мВ. Внутренняя сторона клеточной мембраны относительно наружной заряжена отрицательно. Электрический потен­циал мембраны тем выше, чем больше содержание белка и его иониза­ция (отрицательный заряд) внутри клетки и концентрация катионов вне клетки (диффузия ионов Na + и К + через мембрану внутрь клетки затруд­нена). Данная функция неорганических ионов используется для регуля­ции функций особенно возбудимых клеток (нервных, мышечных) и для проведения нервных импульсов.

2. Осмотическая функция используется для регуляции осмо­тического давления. Живая клетка подчиняется закону изоосмополярности: во всех средах организма, между которыми есть свободный обмен водой, устанавливается одинаковое осмотическое давление. Если число ионов в какой-то среде возрастает, то вслед за ними устремляется вода, пока не установится новое равновесие и новый уровень осмотического давления.

3. Структурная функция обусловлена комплексообразующими свойствами металлов. Ионы металлов взаимодействуют с анионными группами белков, нуклеиновых кислот и других макромолекул и тем са­мым обеспечивают наряду с другими факторами поддержание опреде­лённых конформаций этих молекул. Поскольку биологическая активность биополимеров зависит от их конформаций, то нормальное осуществление белками их функций, беспрепятственная реализация информации, зало­женной в нуклеиновых кислотах, образование надмолекулярных ком­плексов, формирование субклеточных структур и другие процессы не­мыслимы без участия катионов и анионов.

4. Регуляторная функция заключается в том, что ионы ме­таллов являются активаторами ферментов и тем самым регулируют ско­рость химических превращений в клетке. Это прямое регуляторное дей­ствие катионов. Косвенное заключается в том, что ионы металлов часто необходимы для действия другого регулятора, например, гормона. При­ведём несколько примеров. Формирование активной формы инсулина невозможно без ионов цинка. Третичная структура РНК в огромной сте­пени определяется ионной силой раствора, а такие катионы, как Сr 2+ , Ni 2+ , Fe 2+ , Zn 2+ ,Mn 2+ и другие, непосредственно участвуют в формирова­нии спиральной структуры нуклеиновых кислот. Концентрация ионов Мg 2+ влияет на формирование такой надмолекулярной структуры, как рибосомы.

5. Транспортная функция проявляется в участии некоторых металлов (в составе металлопротеидов) в переносе электронов или про­стых молекул. Например, катионы железа и меди входят в состав цитохромов, являющихся переносчиками электронов в дыхательной цепи, а железо в составе гемоглобина связывает кислород и участвует в его пе­реносе.

6. Энергетическая функция связана с использованием фос­фат-анионов в образовании АТФ и АДФ (АТФ - основной носитель энер­гии в живых организмах).

7. Механическая функция. Например, катион Са +2 и фосфат-анион входят в состав гидроксилапатита и фосфата кальция костей и определяют их механическую прочность.

8. Синтетическая функция. Многие неорганические ионы ис­пользуются в синтезах сложных молекул. Например, ионы йода I¯ участ­вуют в синтезе йодтиронинов в клетках щитовидной железы; анион (SО 4) 2- - в синтезе эфиросерных соединений (при обезвреживании в ор­ганизме вредных органических спиртов и кислот). Важное значение в механизме защиты от токсического действия пероксида имеет селен. Он образует селеноцистеин - аналог цистеина, в котором вместо атомов серы атомы селена. Селеноцистеин является составной частью фермента глутатион-пероксидазы, катализирующей восстановление пероксида во­дорода глутатионом (трипептид - γ-глутамил-цистеинилглицин)

Важно отметить, что в известных пределах возможна взаимоза­меняемость некоторых ионов. При недостатке какого-то иона металла он может заменяться ионом другого металла, близким по физико-химическим свойствам и ионному радиусу. Например, ион натрия заме­щается ионом лития; ион кальция - ионом стронция; ион молибдена - ионом ванадия; ион железа - ионом кобальта; иногда ионы магния - ио­нами марганца.

Благодаря тому, что минеральные вещества активируют дейст­вие ферментов, они влияют на все стороны обмена веществ. Рассмотрим, в чём выражается зависимость обмена нуклеиновых кислот, белков, уг­леводов и липидов от наличия тех или иных неорганических ионов.

Минеральные вещества и их роль в клетке

1. Какие вещества называются минеральными?
2. Какой процесс называется диссоциацией?
3. Что такое ионы?

Минеральные вещества клетки.

Большая часть минеральных веществ клетки находится в виде солей, диссоциированных на ионы, либо в твердом состоянии.

По своей реакции растворы могут быть кислыми, основными и нейтральными. Кислотность или основность раствора определяется концентрацией в нем ионов Н+. Эту концентрацию выражают при помощи водородного показателя - рН («пэ-аш»). Нейтральной реакции жидкости отвечает рН = 7,0, кислой реакции - рН < 7,0 и основной - рН > 7,0. Протяженность шкалы рН - от 0 до 14,0.

Значение рН в клетках примерно равно 7,0. Изменение его на одну-две единицы губительно для клетки.

Постоянство рН в клетках поддерживается благодаря буферным свойствам их содержимого.

Буферным называют раствор, содержащий смесь какой-либо слабой кислоты и ее растворимой соли. Когда кислотность (концентрация ионов Н+) увеличивается, свободные анионы, источником которых является соль, легко соединяются со свободными ионами Н+ и удаляют их из раствора. Когда кислотность снижается, высвобождаются дополнительные ионы Н+. Так в буферном растворе поддерживается относительно постоянная концентрация ионов Н+.

Некоторые органические соединения, в частности белки, также имеют буферные свойства.

Являясь компонентами буферных систем организма, ионы определяют их свойства - способность поддерживать рН на постоянном уровне (близко к нейтральной реакции), несмотря на то что в процессе обмена веществ непрерывно образуются кислые и щелочные продукты. Так, фосфатная буферная система млекопитающих , состоящая из НРО|42- и Н2РО-4, поддерживает рН внутриклеточной жидкости в пределах 6,9-7,4, Главной буферной системой внеклеточной среды (плазмы крови) служит бикарбонатная система, состоящая из Н2С03 и НСО4- и поддерживающая рН на уровне 7,4.

Соединения азота, фосфора, кальция и другие неорганические вещества используются для синтеза органических молекул (аминокислот, белков, нуклеиновых кислот и др.).

Ионы некоторых металлов (Мg, Са, Zе, Си, Мn, Мо, Вr, Со) являются компонентами многих ферментов, гормонов и витаминов или активируют их. Например, ион Fе входит в состав гемоглобина крови, ион Zn - гормона инсулина. При их недостатке нарушаются важнейшие процессы жизнедеятельности клетки.

Буферная система.

1. В каком виде минеральные вещества представлены в живых организмах?
2. Какова роль неорганических ионов в клетке?
3. Какова роль ионов в буферных системах организма?
4. Почему недостаток или отсутствие ионов некоторых металлов приводит к нарушению жизнедеятельности клеток?

Важную роль для жизнедеятельности организмов играют неорганические кислоты и их соли. Так, соляная кислота входит в состав желудочного сока и создает условия для переваривания белков пищи. Остатки серной кислоты способствуют выведению из организма нерастворимых в воде веществ.

Каменский А. А., Криксунов Е. В., Пасечник В. В. Биология 10 класс
Отправлено читателями с интернет-сайта

>>> микроэлементы

Минеральные вещества играют исключительно важную роль в жизни живых организмов. Наряду с органическими веществами минералы входят в состав органов и тканей, а также участвуют в процессе обмена веществ.

В общей сложности в организме человека определяется до 70 химических элементов. Из них 43 элемента являются абсолютно необходимыми для нормального протекания обмена веществ.

Все минеральные вещества, исходя от их количественного содержания в организме человека, принято разделять на несколько подгрупп: макроэлементы, микроэлементы и ультраэлементы.

Макроэлементы представляют собой группу неорганических химических веществ, присутствующих в организме в значительных количествах (от нескольких десятков граммов до нескольких килограммов). К группе макроэлементов относятся натрий, калий, кальций , фосфор и др.

Микроэлементы встречаются в организме в гораздо меньших количествах (от нескольких граммов до десятых долей грамма и менее). К таким веществам относятся: железо, марганец, медь, цинк, кобальт, молибден, кремний, фтор, йод и др. Особой подгруппой микроэлементов являются ультрамикроэлементы, содержащиеся в организме в исключительно малых количествах (золото, уран, ртуть и др.).

Роль минеральных веществ в организме

Минеральные (неорганические) вещества входящие в структуру организма выполняют множество важных функций. Многие макро и микроэлементы являются кофакторами ферментов и витаминов . Это значит, что без молекул минеральных веществ витамины и ферменты неактивны и не могут катализировать биохимические реакции (основная роль ферментов и витаминов). Активация ферментов происходит посредством присоединения к их молекулам атомов неорганических (минеральных) веществ, при этом присоединенный атом неорганического вещества становится активным центром всего ферментативного комплекса. Так, например, железо из молекулы гемоглобина способно связывать кислород, для того чтобы переносить его к тканям, многие пищеварительные ферменты (пепсин, трипсин) для активации требуют присоединения атома цинка и т.д.

Многие минеральные вещества являются незаменимыми структурными элементами организма – кальция и фосфор слагают основную массу минерального вещества костей и зубов, натрий и хлор являются основными ионами плазмы, а калий, в больших количествах содержится внутри живых клеток.

Вся совокупность макро и микроэлементов обеспечивает процессы роста и развития организма. Минеральные вещества играют важную роль в регуляции иммунных процессов, поддерживают целостность клеточных мембран, обеспечивают дыхание тканей.

Поддержание постоянства внутренней среды (гомеостаза) организма, предусматривает в первую очередь поддержание качественного и количественного содержания минеральных веществ в тканях органах на физиологическом уровне. Даже небольшие отклонения от нормы могут повлечь самые тяжелые последствия для здоровья организма.

Источники минеральных веществ

Основным источником минеральных веществ для человека, является потребляемая вода и пища. Одни минеральные элементы распространены повсеместно, а другие встречаются реже, и в меньших количествах. В наши дни, при условии нарушенной экологии, лучшим источником могут быть БАД (биологически активные добавки) и очищенная минерализованная вода.

Различные пищевые продукты содержат различное количество минеральных веществ. Так, например, в коровьем молоке и молочных продуктах содержится более 20 различных минералов, среди них наиболее важными являются железо, марганец, фтор, цинк, йод. Мясо и мясные продукты содержат такие микроэлементы как серебро, титан, медь, цинк, а морские продукты – йод, фтор, никель.

Как уже упоминалось выше, постоянство внутренней среды (содержание в организме различных веществ) имеет огромное значение для нормального функционирования организма. Несмотря на широкую распространенность минеральных веществ в природе, нарушения в организме, связанные с их недостатком (или реже с избытков) встречаются довольно часто. Заболевания, вызванные недостачей минеральных веществ чаще всего встречаются в определенных регионах земного шара, где в силу геологических особенностей природная концентрация того или иного микроэлемента ниже чем в других районах. Хорошо известны так называемые эндемические зоны йододефицита, в которых часто встречается такое заболевание как Зоб – следствие недостатка йода.

Однако, гораздо чаще дефицит минеральных веществ в организме встречается из-за неправильного (несбалансированного) питания , а также в определенные периоды жизни и при некоторых физиологических и патологических состояниях, когда потребность в минеральных веществах возрастает (период роста у детей, беременность , кормления грудью, различные острые и хронические заболевания, менопауза и пр.).

Краткая характеристика наиболее важных минеральных веществ

Натрий – является самым распространенным ионом плазмы – жидкой части крови. На долю этого элемента приходится основная доля в создании осмотического давления плазмы. Поддержание нормального осмотического давления и объема циркулирующей крови – это жизненно важный процесс, который реализуется главным образом благодаря регуляции абсорбции или секреции (выделения) натрия на уровне почек . При снижении объема циркулирующей крови (например, при обезвоживании или после кровопотери) на уровне почек запускается сложный процесс, целью которого является сохранение и накопление ионов натрия в организме. Параллельно с ионами натрия в организме задерживается вода, (ионы металлов притягивают молекулы воды) вследствие чего объем циркулирующей крови восстанавливается. Также натрий участвует в электрической деятельности нервной и мышечной ткани. Благодаря разнице концентрации натрия между кровью и внутриклеточной средой живые клетки могут генерировать электрический ток лежащий в основе деятельности нервной системы, мышц и других органов. Дефицит натрия встречается очень редко. Обычно он возникает в случае сильного обезвоживания или крупной потери крови. Распространенность натрия в природе (поваренная соль состоит из натрия и хлора), делает возможным быстрое восполнение резервов организма в этом элементе. При некоторых заболеваниях (например, при гипертонии) рекомендуется снижать потребление соли (следовательно, натрия) для того, чтобы немого снизить объем циркулирующей крови и понизить артериальное давление .

Калий – является основным ионом внутриклеточной среды. Его концентрация в крови во много раз меньше чем внутри клеток. Этот факт является очень важным для нормального функционирования клеток организма. Подобно натрию, калий участвует в регуляции электрической деятельности органов и тканей. Концентрация калия в крови и внутри клеток поддерживается с большой точностью. Даже небольшие изменения концентрации этого элемента в крови способно вызвать серьезные нарушения деятельности внутренних органов (например, сердца). По сравнению с натрием калий менее распространен в природе, однако встречается в достаточных количествах. Основным источником калия для человека являются свежие овощи и фрукты.

Кальций . Общая масса кальция в организме взрослого человека составляет примерно 4 килограмма. Причем основная его часть сконцентрирована в костной ткани. Соли кальция и фосфорной кислоты являются минеральной основой костей. Помимо минералов, кости содержат и некоторое количество белков, образующих своеобразную сеть на которой осаждаются минеральные соли. Белки придают костям гибкость и упругость, а минеральные соли – твердость и жесткость. Несколько граммов кальция содержится в различных органах и тканях. Здесь кальций играет роль регулятора внутриклеточных процессов. Так, например, кальций участвует в механизмах передачи нервного импульса от одной нервной клетки к другой, участвует в механизме сокращения мышц и сердца и пр. Основным источником кальция для человека являются продукты животного происхождения. Особенно богаты кальцием молочные продукты. Кальция абсолютно необходим для нормального протекания процесса обмена веществ. Недостаток кальция является довольно распространенным явлением. Чаще всего он возникает вследствие неправильного питания (употребление малого количества молочных продуктов), а также во время беременности или кормления грудью. У детей недостаток кальция может развиться в период интенсивного роста.

Железо . В организме взрослого человека содержится около 4 граммов железа, причем основная масса его сконцентрирована в крови. Железо является незаменимым компонентом гемоглобина – пигмента эритроцитов, переносящего кислород о легких к тканям. Также железо входит в состав ферментов обеспечивающих клеточное дыхание (употребление кислорода клетками). Основным источником железа для человека являются пищевые продукты растительного и животного происхождения. Железом богаты яблоки, гранаты, мясо, печень. Дефицит железа проявляется анемией, а также шелушением кожи, расслоением ногтей, появлением трещин на губах, ломкостью волос. Чаще всего от недостатка железа страдают дети и женщины детородного возраста. Причиной недостатка железа у детей является неправильное питание и быстрый рост организма. У женщин дефицит железа развивается из-за постоянной потери крови во время менструации. Особенно опасен дефицит железа во время беременности. Анемия, как проявление недостатка железа, может вызвать даже гибель плода, из-за недостатка кислорода.

Различные заболевания пищеварительного тракта (хронические гастриты , энтериты) также могут привести способствовать развитию дефицита железа.

Йод – является незаменимым для человека микроэлементом. Основная роль йода в организме человека заключается в том, что йод является активной частью гормонов щитовидной железы. Гормоны щитовидной железы регулируют энергетические процессы организма – образование тепла, рост и развитие. При недостатке йода возникает тяжелое состояние – гипотиреоз, названное так из-за недостатка гормонов щитовидной железы (для их синтеза необходим йод). Основным источником йода для человека являются молоко, мясо, свежие овощи, рыба и морские продукты. Дефицит йода возникает в основном из-за неправильного питания. В некоторых регионах земного шара (например, Урал) гипотиреоз возникает особенно часто. Это связано с недостатком содержание йода в почве и воде.

Фтор полезен для организма только в небольших количествах. При низких концентрациях фтор стимулирует развитие и рост зубов, костной ткани, образование клеток крови, повышение иммунитета. Недостаток фтора повышает риск заболевания кариесом (особенно у детей) и негативно сказывается на иммунитете. В больших дозах фтор может вызывать заболевание флюороз, проявляющееся изменениями скелета. Основным источником фтора являются свежи овощи и молоко, а так же питьевая вода.

Медь . Роль меди в организме заключается в активации тканевых ферментов, которые участвуют в дыхании клеток и превращении веществ. Также важно отметить положительное влияние меди на процесс кроветворения. При помощи меди происходит перенос железа в костный мозг и созревание эритроцитов. При недостатке меди происходит нарушение развития костной и соединительной ткани, также тормозится умственное развитие детей, увеличиваются печень и селезенка, развивается анемия. Хлеб и мучные продукты, чай, кофе, фрукты и грибы являются основными источниками меди для человека.

Цинк входит в состав многих ферментов, оказывает стимулирующее действие процесс полового созревания, образования костей, распада жировой ткани. Недостаток цинка развивается довольно редко. Иногда дефицит цинка возникает при избыточном потреблении мучных продуктов, препятствующих всасыванию цинка из кишечника. Недостаток цинка (особенно в детском возрасте) может привести к тяжелым нарушениям развития: торможение полового созревания, выпадение волос, деформация скелета. Достаточные для человека количества цинка содержатся в печени животных, мясе, яичных желтках, сырах, горохе.

Кобальт – является фактором активации витамина В12, поэтому этот элемент незаменим для нормального протекания процесса образования крови. Также кобальт стимулирует синтез белков и рост мышц, активирует некоторые ферменты перерабатывающие углеводы . Недостаток кобальта может проявиться анемией (малокровие). Основными источниками кобальта являются хлеб и мучные продукты, фрукты и овощи, молоко, бобовые.

Библиография:

• Идз М.Д. Витамины и минеральные вещества, Спб. : Комплект, 1995
• Минделл Э. Справочник по витаминам и минеральным веществам, М. : Медицина и питание: Техлит, 1997
• Беюл Е.А Cправочник по диетологии, М.: Медицина, 1992

Цели:

Обучающие :

• Систематизация знаний о химическом составе клетки.
• Закрепление знаний об химических элементах и их роли в клетках живых организмов, химической общности живой и неживой природы.
• Осознание роли химических веществ для нормального функционирования организма человека.

Воспитательные:

• формирование мировоззрения, активной жизненной позиции, опыта правильного поведения и общения, превращение этих ценных свойств в устойчивые нравственные качества личности, формирование готовности к самовоспитанию и психического развития; воспитать предметную компетентность учащихся. Привить гигиенические навыки здорового образа жизни.

Развивающие:

• развитие интеллекта, внимания, восприятия, памяти, мышления, воображения, речи, эмоционально-волевой сферы школьников; выделение важнейших, доминирующих задач урока, их конкретизация с учетом особенностей и возможностей коллектива.

Оборудование: схема «Химические элементы», картинки с изображением растений и животных, знаки химических элементов, мука, штатив, стеклянная палочка, фарфоровая чашка.

Задачи:

1. Рассказать о единстве химического состава живых организмов и неживой природы.
2. Раскрыть роль минеральных веществ в жизни клетки живого организма.

План урока:

1. Проверка знаний по теме «Методы цитологии», «Клеточная теория» (рассказ, тесты).
2. Новая тема:
   1. Химический состав клетки.
   2. Классификация минеральных веществ (по содержанию в клетке).
   3. Роль макро и микроэлементов в жизни клетки.
   4. Роль химических элементов в организме человека.
3. Закрепление.
4. Домашнее задание.

Ход урока

I. Проверка знаний:

1. Методы и задачи цитологии.

2. Увеличительные приборы. Устройство светового микроскопа. Как узнать общее увеличение светового микроскопа?

3. История становления цитологии. Вклад отдельных ученых в развитие клеточной теории.

4. Карточки с тестами:

Деление клетки открыл и установил, что каждая клетка происходит от исходной путем деления:
а) Левенгук
б) Р. Гук
в) Р. Броун
г) Р. Вихров

Клеточное строение организмов всех царств свидетельствует о:
а) единстве органического мира
б) сходстве живой и неживой природы
в) происхождении живого от неживого
г) сходстве строения бактерий, вирусов, грибов.

Создателями клеточной теории являются:
а) Дарвин и Уоллес
б) Мендель и Морган
в) Гук и Левенгук
г) Шлейден и Шванн

Клеточной теории соответствует следующее положение:
А) размножение клеток происходит путем их деления
Б) хромосомы – материальные носители наследственности
В) все живые существа, кроме бактерий, имеют клеточное строение.
Г) клетки всех живых существ и вирусы сходны по строению и функциям

В чем проявляется общность между выводами клеточной и атомно-молекулярной теорий?
А) в установлении единицы строения объекта
б) в сходстве строения объектов исследования
в) в сходстве свойств объектов исследования

II. Новая тема: А сейчас мы с вами посмотрим демонстрационный опыт.

Демонстрационный опыт «Сжигание муки в фарфоровой чашке»

Какие вещества образуются при сгорании муки? Какие признаки реакции вы наблюдали?

Признаки реакции:

• капельки воды (пары воды конденсируются на холодной стеклянной пластинке);
• дым (сгорают органические вещества);
• зола (неорганические вещества). (Слайд)

Итак, в состав живых организмов входят органические и неорганические вещества, а также вода. Сегодня на уроке мы остановимся на изучении неорганических веществ в клетках живых организмов, узнаем какую роль выполняют те или иные химические элементы в процессах жизнедеятельности живых организмов.

Послушайте, ребята, строки из стихотворения С. Щипачева «Читая Менделеева»:

Другого ничего в природе нет
Ни здесь, ни там, в космических глубинах:
Все – от песчинок малых до планет –
Из элементов состоит единых.

Ребята, на уроках биологии и химии мы не раз убеждались в том, что нас окружает мир химических соединений. В любом живом организме, в том числе и в организме человека, непрерывно протекает множество химических реакций. Можно сказать, что каждая живая клетка представляет собой микроскопическую химическую лабораторию. Поступление химических веществ осуществляется в результате важного свойства клетки – обмена веществ и энергии.

Ребята, давайте вспомним и ответим на следующие вопросы:

• Что называется обменом веществ?
• Каково значение обмена веществ?
• Назовите основные направления обмена веществ?
• Что такое ассимиляция?
• Что называется диссимиляцией?

Для каждого вида организмов характерен особый, генетически закрепленный тип обмена веществ. Любое заболевание сопровождается нарушениями обмена, а генетически обусловленные нарушения обмена являются причиной многих наследственных болезней.

Многим химикам известны крылатые слова, сказанные в 40-х годах текущего столетия немецкими учеными Вальтером и Идой Ноддак, что в каждом булыжнике на мостовой присутствуют все элементы Периодической системы. Вначале эти слова были встречены далеко не с единодушным одобрением. Однако, по мере того как разрабатывались все более точные методы аналитического определения химических элементов, ученые все больше убеждались в справедливости этих слов.

Если согласиться с тем, что в каждом булыжнике содержатся все элементы, то это должно быть справедливо и для живого организма. Все живые организмы на Земле, в том числе и человек, находятся в тесном контакте с окружающей средой. Жизнь требует постоянного обмена веществ в организме. Поступлению в организм химических элементов способствуют питание и потребляемая вода.

Учитель: Сколько химических элементов включает современная периодическая система Д.И. Менделеева?

Из существующих в природе 118 элементов более 13 не имеют никакого значения для функционирования живых организмов, зато 90 элементов в большей или меньшей степени принимает участие и в построении живого организма, и в процессах, в нем происходящих. Основным строительным материалом являются четыре элемента: углерод, водород, кислород и азот, а остальные, часто находясь совсем в микроскопических количествах в организме, влияют на здоровье, и дефицит или избыток какого-либо элемента часто является причиной того или иного заболевания.

Никаких специальных элементов, характерных только для живых организмов, не существует, и это является одним из доказательств общности живой и неживой природы. Но количественное содержание тех или иных элементов в живых организмах и в окружающей их неживой среде существенно отличается. Например, кремния в почве около 33%, а в наземных растениях лишь 0,15%. Подобные различия указывают на способность живых организмов накапливать только те элементы, которые необходимы им для жизнедеятельности.

Для изучения количественного состава химических элементов, содержащихся в клетках живых организмов, проведем самостоятельную работу используя учебник. Самостоятельная работа учащихся (5 минут).

• Выпишите химические элементы, которые в сумме составляют 98% всего содержимого клетки.
• Выпишите химические элементы, содержание которых в клетке исчисляется десятыми и сотыми долями процентов.

Учитель: Ребята, проведем проверку выполнения самостоятельной работы.

Итак, мы выявили три группы элементов: макроэлементы – доля которых составляет 98% и микроэлементов – доля которых составляет 1,9%, ультрамикроэлементы, их концентрация не превышает 10-5%. К ним относятся уран, радий, золото, серебро, бериллий, селен и др. редкие элементы.

Многие химические элементы, входящие в состав клетки, выполняют определенную функцию. Химические элементы, которые входят в состав клетки и выполняют биологические функции называются биогенными. К биогенным элементам относится около 30 элементов. Среди биогенных элементов особое место занимают так называемые элементы – органогены, которые образуют важнейшие вещества в живых организмах - воду, белки, жиры, углеводы, витамины, гормоны и др. К органогенам относятся шесть элементов – C, O, H, N, H, S.

К числу биогенных элементов относится и ряд металлов, среди которых особенно важные биологические функции выполняют десять, так называемых “ металлы жизни”. Этими металлами являются четыре s – элемента C ,K, Na, Mg и шесть d элементов – Fe, Zn, Cu, Mn, Mo, Co.

К макроэлементам относят кислород (65-75%), углерод (15-18%), водород (8-10%), азот (2,0-3,0%), калий (0,15-0,4 %), сера (0,15-0,2%), фосфор (0,2-1,0%), хлор (0,05-0,1%), магний (0,02-0,03 %), натрий (0,02-0,03%), кальций (0,04-2,00%), железо (0,01-0,015%. Такие элементы, как C, O, H, N, S, P входят в состав органических соединений.

А теперь мы послушаем выступления учащихся о роли макроэлементов в клетке и в организме растений, животных и человека. В ходе выступления товарищей заполняем таблицу в тетрадях.(Слайд)

1. Кислород - входит в состав практически всех органических веществ клетки. Образуется в ходе фотосинтеза при фотолизе воды. Для аэробных организмов служит окислителем в ходе клеточного дыхания, обеспечивая клетки энергией. В наибольших количествах в живых клетках содержится в составе воды. Он не только существенная часть вдыхаемого нами воздуха и питьевой воды, он так же занимает значимое место в нашем теле. С 65% общей массы нашего тела, кислород, самый важный химический элемент в составе человеческого организма.
2. Углерод - входит в состав всех органических веществ; скелет из атомов углерода составляет их основу. Кроме того, в виде CO2 фиксируется в процессе фотосинтеза и выделяется в ходе дыхания, в виде CO (в низких концентрациях) участвует в регуляции клеточных функций, в виде CaCO3 входит в состав минеральных скелетов.
3. Водород, как и кислород - составной элемент воздуха и питьевой воды. И он также относится к основным компонентам человеческого тела. 10% нашего веса состоят из водорода. Водород - входит в состав всех органических веществ клетки. В наибольших количествах содержится в составе воды. Некоторые бактерии окисляют молекулярный водород для получения энергии.
4. Азот - входит в состав белков, нуклеиновых кислот и их мономеров - аминокислот и нуклеотидов. Из организма животных выводится в составе аммиака, мочевины, гуанина или мочевой кислоты как конечный продукт азотного обмена. В виде оксида азота NO (в низких концентрациях) участвует в регуляции кровяного давления. Несмотря на то, что азот также содержится в воздухе, он более известен как теплоноситель, в жидкой форме. Всё же, его таинственно испаряющейся газы не должны вводить в заблуждение- 3% массы нашего тела состоят из азота.
5. Может ли сера, с её неприятным видом и запахом, быть важной для нашего организма? Да, это именно так. Сера - существенная составная часть аминокислот и коферментов. Сера - входит в состав серосодержащих аминокислот, поэтому содержится в большинстве белков. В небольших количествах присутствует в виде сульфат -иона в цитоплазме клеток и межклеточных жидкостях.
6. Фосфор, как светящееся вещество, известен каждому. Но далеко не каждый знает, что именно благодаря фосфору в организме, происходит образование ДНК, основы человеческой жизни. Фосфор - входит в состав АТФ, других нуклеотидов и нуклеиновых кислот (в виде остатков фосфорной кислоты), в состав костной ткани и зубной эмали (в виде минеральных солей), а также присутствует в цитоплазме и межклеточных жидкостях (в виде фосфат -ионов).
7. Магний жизненно необходим для всех организмов на земле, естественно, для нас людей, тоже. Вопреки его незначительной части- 0,05% массы нашего тела, недостаток магния ведет к отчётливо ощутимым последствиям: Нервозность, головные боли, усталость и судороги мышц являются только некоторыми из них. Магний - кофактор многих ферментов, участвующих в энергетическом обмене и синтезе ДНК; поддерживает целостность рибосом и митохондрий, входит в состав хлорофилла. В животных клетках необходим для функционирования мышечных и костных систем.
8. Даже если он и составляет всего 1,5%, кальций- важный металл в нашем организме. Именно он придаёт прочность нашим костям и зубам. Кальций - участвует в свёртывании крови, а также служит одним из универсальных вторичных посредников, регулируя важнейшие внутриклеточные процессы (в том числе участвует в поддержании мембранного потенциала, необходим для мышечного сокращения и экзоцитоза). Нерастворимые соли кальция участвуют в формировании костей и зубов позвоночных и минеральных скелетов беспозвоночных.
9. Натрий мы потребляем, прежде всего, в форме хлорида натрия, так же известного как поваренная соль. Элемент важен для защиты клеток и движения нервных сигналов. Натрий - участвует в поддержании мембранного потенциала, генерации нервного импульса, процессы осморегуляции (в том числе работу почек у человека) и создании буферной системы крови.
10. Калий, со скромными 0,2%, принимает небольшое участие в процессах организма. Он относится к электролитам, в которых наше тело нуждается, прежде всего, при спорте. Его недостаток может вызвать чувство истощения и судороги. Калий - участвует в поддержании мембранного потенциала, генерации нервного импульса, регуляции сокращения сердечной мышцы. Содержится в межклеточных веществах.

Учитель: Жизненно необходимые элементы натрий и калий функционируют в паре. Надежно установлено, что всем живым организмам присуще явление ионной асимметрии – неравномерное распределение ионов внутри и вне клетки. Например, внутри клеток мышечных волокон, сердца, печени, почек имеется повышенное содержание ионов калия по сравнению с внеклеточным. Концентрация ионов натрия, наоборот, выше вне клетки, чем внутри ее. Наличие градиента концентраций калия и натрия – экспериментально установленный факт. Интересно, что по мере старения организма градиент концентраций ионов калия и натрия на границе клеток падает. При наступлении смерти концентрации калия и натрия внутри и вне клетки сразу же выравниваются. В организме человека содержится в среднем около 140 г калия и около 100 г. натрия. С пищей мы ежедневно потребляем от 1,5 до 7 г ионов калия и от 2 до 15 г ионов натрия. Потребность в ионах Na настолько велика, что их необходимо специально добавлять в пищу (в виде поваренной соли). Значительная потеря ионов натрия (они выводятся из организма с мочой и потом) неблагоприятно сказывается на здоровье человека. Поэтому в жаркую погоду врачи рекомендуют есть больше солёного. Однако и избыточное содержание их в пище вызывает негативную реакцию организма, например повышение артериального давления.

Учитель: Содержание элементов в организме объясняют следующие четверостишия.

Кровь наша чуть соленая на вкус –
Содержится в ней натрия хлорид;
В межклеточном пространстве натрий-плюс
Давленье Осмоса для клеток сохранит.
Хлорид же ионы царствуют в желудке,
Чтобы запас соляной кислоты
Нам обеспечить, – это же не шутки –
Белковой пищи расщеплять хвосты.

Состав человеческого тела.

Французский химик Г. Бертран подсчитал, что тело человека, весящего около 100 кг, содержит кислорода 63 кг, углерода – 19 кг, водорода – 9 кг, азота – 5 кг, кальция – 1 кг, фосфора – 700 г, серы – 640 г, натрия – 25о г, калия – 220 г, хрома – 180 г, магния – 80 г, железа – 3 г, йода – 0,03 г. Фтора, брома, марганца, меди – еще меньше. Посчитайте

А сейчас мы рассмотрим микроэлементы Слайд К микроэлементам, составляющим от 0,001% до 0,000001% массы тела живых существ, относят ванадий, германий, йод, кобальт, марганец, никель, рутений, селен, фтор, медь, хром, цинк.

Среди всех микроэлементов в особую группу выделяют так называемые незаменимые микроэлементы. Незаменимые микроэлементы – микроэлементы, регулярное поступление которых с пищей или водой в организм абсолютно необходимо для нормальной его жизнедеятельности. Незаменимые микроэлементы входят в состав ферментов, витаминов, гормонов и других биологически активных веществ. Незаменимыми микроэлементами являются: железо, йод, медь, марганец, цинк, кобальт, молибден, селен, хром, фтор.

Вопросы к классу:

• Какие заболевания вызываются недостатком химических элементов в растительных и животных организмах?
• В каких пищевых продуктах содержатся микроэлементы?
• Какова же биологическая роль микроэлементов?

Вам предлагается выслушать внимательно сообщения, которые подготовили ваши одноклассники и ответить на предложенные выше вопросы.

1. “Биологическая роль фтора ”

В небольших количествах фтор входит в состав живых организмов. В организме человека около 2,6 г фтора, из них 2,5 г в костях. Биологическая роль фтора заключается в том, что он участвует в процессах образования зубов и костей, в обмене веществ и в активизации некоторых ферментов. Нормальное поступление фтора в организм человека от 2,5 до 3,5 мг в сутки. Понижение или повышение количества фтора вызывают различные заболевания. Хроническое отравление соединениями фтора вызывает болезнь флюороз.

Учитель: А я хочу добавить к сказанному веселое стихотворение

Исследования доказали,
Что фтор как микроэлемент
Так важен для зубной эмали,
Как для строительства цемент.
Известно: при нехватке фтора
Зубная боль возникает скоро.
Избыток фтора тоже плох:
Остаться можно без зубов.

2. “Биологическая роль кобальта”

Кобальт – микроэлемент, оказывающий разнообразное влияние на жизненные процессы растительных, животных организмов и человека. В организме человека содержится 0,03 г.кобальта, из них 14% входит в состав костей, по 43% - в мышцах и мягких тканях. Больше всего кобальта в печени, почках и в поджелудочной железе. Биологическая роль кобальта велика – он участвует в процессах обмена кроветворения, влияет на белковый, жировой, углеводный, минеральный обмены, обмен витаминов. Например, витамин С, ускоряет синтез витамина РР, входит в состав ферментов (пептидазы).

Кобальт является составной частью витамина В12.

3. “Биологическая роль меди”

Медь - один из важнейших микроэлементов, участвующих в процессах фотосинтеза и влияет на усвоение азота растениями. В организме человека содержится около 0,1 г. меди. Суточная потребность взрослого человека от 2 до 3 мг. Медь концентрируется в печени, в крови, в головном мозге, в костях. Дефицит меди и её избыток одинаково вреден для организма. При недостатке меди в рационе человека уменьшается образование гемоглабина и развивается анемия, нарушается костеобразование с изменениеми в скелете. Избыток меди накапливается в печени, мозге, почках, глазах и вызывает хронические воспалительные процессы в тканях.

Учитель: Спасибо, ребята, за выступления.

Оказывается, что можно составить элементный портрет любого человека, который строго соответствует полу, возрасту, конституции, темпераменту и, конечно, образу жизни. Элементный «портрет» – это тот химический состав, т.е. содержание макро- и микроэлементов, который мы «носим» в себе. И если в нашей жизни (организме) происходят какие-то изменения, то они затрагивают и наш элементный состав, который очень быстро реагирует на любые коллизии.

Точный диагноз стресса, который зачастую является причиной заболевания, можно, оказывается, установить по спектральному составу волос. Концентрация всех химических элементов, какие только есть в нашем организме, значительно выше в волосах, нежели в таких привычных для анализа биологических жидкостях, как кровь и моча. Кроме того, волосы концентрируют в себе практически все химические элементы, которые содержатся в нашем организме. Например, если по сыворотке крови достоверно удается получить данные о 6–8 элементах, то волосы «выдают» информацию о 20–30 элементах. Все анализы проводят с помощью плазменного спектрометра. Результаты анализа обрабатываются на компьютере, который извлекает из своей памяти сведения о средней для здорового человека данного пола и возраста норме макро- и микроэлементов, сравнивает с ними элементный состав волос пациента и оценивает отклонения в минеральном составе. В первую очередь определяется содержание таких жизненно важных элементов, как кальций, калий, железо, медь, магний, цинк, потому что функции их чрезвычайно важны для нашего организма.

По отмеченному дисбалансу ставится предварительный диагноз, затем определяется программа лечения, направленная на устранение дефицита недостающего элемента и выведения из организма вредных или содержащихся в избытке веществ. Такая коррекция минерального обмена организма может проводиться путем составления специальной диеты с включением продуктов, которые содержат в значительных количествах элементы, необходимые для нормальной жизнедеятельности вашего организма (причем диета должна составляться только специалистами)

В волосах человека, много думающего, как определили, больше, по сравнению с остальными, цинка и меди. Марганец, свинец, титан, медь и серебро преобладают у тех, у кого цвет волос темный. В седых же волосах содержится лишь никель. Да еще они и с мудростью ассоциируются.

В волосах находят и золото. Причем по его содержанию женщины воистину более драгоценны, чем мужчины. Хотя у Чингисхана якобы имелся целый клок золотых волос на затылке.

Ультрамикроэлементы составляют менее 0,0000001% в организмах живых существ, к ним относят золото, серебро оказывают бактерицидное воздействие, ртуть подавляет обратное всасывание воды в почечных канальцах, оказывая воздействие на ферменты. Так же к ультрамикроэлементам относят платину и цезий. Некоторые к этой группе относят и селен, при его недостатке развиваются раковые заболевания. Селен относится к незаменимым микроэлементам. В тоже время, при передозировке, он сильно токсичен, поэтому его употребление как БАД, вызывает большие дискуссии в кругах учёных.

Функции ультрамикроэлементов еще мало понятны.

• Итак, ребята, что нового вы узнали на уроке?
• Что вам понравилось?
• Что не понравилось?
• Что вас удивило?

Выставление оценок.