Органические вещества - универсальный конструктор - СТРУКТУРА И ФУНКЦИИ ЧЕЛОВЕЧЕСКОГО ТЕЛА - ТЕЛО ЧЕЛОВЕКА КАК САМОСТОЯТЕЛЬНЫЙ ОРГАНИЗМ

Постановка проблемы урока

Факт 1. Каждый вид организмов содержит уникальный набор органических веществ.

Факт 2. Животное должно получать необходимые для жизни вещества из пищи.

• В чём состоит противоречие? Предложите свой вариант основного вопроса и сравните с формулировкой авторов (с. 332).

Повторение необходимых знаний

• Что такое живая и неживая природа? (5 класс)

• Что вы знаете об атомах и молекулах? (Химия)

• Каковы свойства живых организмов? (5, 7 класс)

• Из каких частей состоит клетка? (6 - 7 классы)

Решение проблемы

Из чего построены живые организмы? Из клеток, скажете вы. Верно, но клетки сами по себе уже достаточно сложные живые системы. А из чего построены клетки? В их состав входят два больших класса веществ — неорганические и органические.

Четыре основных вида атомов в живой природе

• Из каких химических элементов в основном состоят организмы?

На Земле существует около ста разновидностей мельчайших частиц вещества — атомов. В состав живой клетки входит более 50 из них, но 99% общей массы клетки приходится на долю всего четырёх видов атомов - углерода, водорода, кислорода и азота. Из курса химии вы узнаете, что из тех же атомов состоят многие вещества. Например, газированная вода. Но она совершенно непохожа ни на растение, ни на животное оттого, что строение органических веществ существенно отличается от строения веществ неживой природы.

Основу органических веществ составляют углерод и водород. Атом углерода может образовать связи с четырьмя другими атомами, а атом углерода — с одним.

4.1. Атомы углерода и водорода

• Постройте несколько молекул из атомов углерода и водорода.

Из этих двух видов атомов построен “скелет” любого органического соединения. Связываясь друг с другом, атомы углерода формируют длинные цепи и кольца, в результате чего образуются большие и сложные молекулы. Никакой другой вид атомов в условиях климата Земли не может формировать структуры, столь разнообразные по размерам и форме.

Именно соединения углерода с четырьмя связями образуют группу органических веществ. Впервые такого рода вещества были выделены из живых организмов. Отсюда и их название.

Органические молекулы — это и строительные блоки, из которых построены клетки, и транспорт, и передатчики сигналов, и хранители запаса энергии. Так же, как и орган тела или органелла клетки, каждая молекула — мастер своего дела и выполняет в организме строго определённую работу.

Молекулярный “алфавит”

• Постарайтесь объяснить, что означает название рубрики, выскажите предположение.

• Чтобы проверить своё предположение, прочитайте текст, ведя диалог с авторами:

В - задайте вопрос к тексту; О - предположите ответ; П - проверьте себя по тексту.

• После чтения текста сравните своё предположение с текстом и сделайте вывод по проблеме параграфа.

Живой организм состоит из огромного количества самых разнообразных органических соединений. В (Вспомните каких.) Например, в организме человека число различных молекул только одного класса — белков — составляет десятки тысяч. Кроме того, как правило, молекулы органических соединений имеют очень большие размеры. Неужели необходимая клетке молекула каждый раз собирается из отдельных атомов углерода, водорода и других?

Синтезировать органические вещества из неорганических, как вы знаете, умеют только растения. Но как же тогда могут существовать животные?

О (Предположите свою версию.)

4.2. Примеры блочных конструкций

Если бы нам были известны все законы и правила построения живого организма, мы могли бы собрать из молекулярных блоков и бактерию, и человека.

Оказывается, все органические молекулы живых организмов состоят из небольших молекулярных блоков нескольких типов. В (Что означает словосочетание молекулярный блок?) Как в детском конструкторе из нескольких типов деталей можно собрать и вертолёт, и куклу, так молекулярные блоки связываются в длинные цепи (от нескольких десятков до нескольких тысяч блоков) и образуют всё многообразие органических веществ. О (Вы так и думали?) Но самое главное — эти небольшие строительные блоки универсальны для всех живых существ. Именно поэтому одни живые организмы могут поедать другие — в процессе пищеварения они “разбирают” сложные молекулы съеденного существа на молекулярные блоки, а затем создают из них свои молекулы. Познакомимся с основными классами органических веществ: белками, нуклеиновыми кислотами, липидами и углеводами. П (Стало ли понятно название рубрики? Или вы дали бы другое название? А решение проблемы параграфа?

“Важнейшие” молекулы

• Почему белки - главные?

Другое название белков — протеины, что в переводе с греческого означает “первые” или “важнейшие”. Это наиболее многочисленные и разнообразные по строению органические молекулы. А построены они всего из 20 видов небольших молекулярных блоков — аминокислот. Подобно тому как из 33 букв русского алфавита составлено огромное количество слов, из 20 аминокислот в живых организмах собирается огромное число молекул белков. Разнообразное строение молекул белков определяет и большое количество выполняемых ими функций. Белки — главные “менеджеры” и исполнители всех видов необходимой работы, а кроме того, и строительный материал организма животного.

Белки входят в состав клеточной мембраны, создают защитный “чехол” для ДНК. Компоненты костной и хрящевой тканей — белки коллаген и эластин — придают им прочность.

Благодаря способности сократительных белков изменять длину мышечных клеток, используя химическую энергию, мы можем двигаться.

4.3. Структуры белка: А - первичная; Б - вторичная; В - третичная; Г - четвертичная

Молекулы белков имеют сложную пространственную организацию (рис. 4.3). Аминокислотная цепочка (А) изгибается и складывается определённым образом (Б), иногда потом ещё скручивается в клубок (В). Клубки сцепляются друг с другом (Г) - получается огромная молекула со сложным пространственным строением.

Химические реакции проходят быстрее при высокой температуре. Но температура тела человека невелика. И важнейшая функция по ускорению химических реакций в организме возложена на белки — ферменты. Практически каждая из множества разнообразных реакций, протекающих в клетке, требует участия специфического фермента, и поэтому их число в нашем организме огромно. Наибольшую активность они проявляют при температуре от +36,0 °С до +37,0 °С.

Белки запускают и регулируют многие физиологические процессы, такие, как рост, половое созревание, умственное развитие.

В крови и других жидкостях организма содержатся белки, которые убивают микробов или обезвреживают их, то есть защищают организм.

Белок крови — гемоглобин — выполняет транспортную функцию. Он переносит кислород.

Белки можно использовать и как источник энергии. Но это не выгодно — энергии получается не так много, а расходуемое вещество очень ценно. Поэтому белки используются организмом для энергетических нужд только в крайних случаях, когда исчерпаны запасы других источников энергии — жиров и углеводов.

Нуклеиновые кислоты - хранители информации

• На чём записана информация? Почему ДНК - большая молекула, состоящая из чередования всего четырёх типов нуклеотидов?

Роль белков в жизни каждого организма так велика, что, как оказалось, именно характерный набор белков определяет его строение и свойства. “Комплект” белковых молекул для каждого из нас индивидуален. Именно информация о составе такого “комплекта” наиболее важна для каждого живого организма. Она передаётся по наследству и записана в молекулах вещества с уже знакомым вам названием дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК), относящегося к классу нуклеиновых кислот. Эти молекулы (рис. 4.4) представляют собой цепочки, включающие от нескольких десятков до многих тысяч звеньев — нуклеотидов. Существует всего четыре типа нуклеотидов, но различное чередование в цепочке и небольшого числа типов блоков может образовать бесконечное множество вариантов молекул, если нанизать их друг за другом, как бусинки.

4.4. Строение молекулы ДНК

Можно сказать, что ДНК - это полученная от родителей программа развития клетки, а другие молекулы нуклеиновых кислот и белки — это “рабочие”, претворяющие программу в жизнь.

В различных типах клеток синтезируются разные наборы белков, которые определяют свойства и функции клетки. Клетки — универсальные строительные блоки организма, поэтому их особенности определяют свойства органов и тканей, следовательно, и всего организма в целом. Другие вещества этого класса — рибонуклеиновые кислоты (РНК) — играют важнейшую роль в “сборке” молекул белков.

Основа клеточных мембран

• Какие особенности липидов позволяют их использовать в качестве строительного материала для мембран?

Липиды — это разнообразные по строению жиры и жироподобные вещества. Их молекулы собраны из органических кислот, которые так и называются - жирные кислоты. Главная общая черта липидов — они не смачиваются водой. Молекулы липидов и воды как бы “отталкиваются” друг от друга. С этим свойством мы сталкиваемся каждый день, наблюдая, как капли воды ведут себя на поверхности, покрытой жиром. Водоотталкивающие свойства коже человека придают смазывающие её жиры.

4.5. Капли на жирной и смачиваемой поверхности

• Какая из этих капель находится на смазанной жиром поверхности? Почему вы так решили?

Липиды нерастворимы в воде и не вымываются из клеток, а в химических связях их молекул сосредоточено большое количество энергии. Эти свойства позволяют использовать липиды для создания запасов энергии в клетке.

Значительные запасы жира в организме человека создаются в основном под кожей и между внутренними органами. Это не только энергетический запас, но и мягкие и вязкие “подушки”, которые оберегают внутренние органы от механических повреждений.

4.6. Защита от переохлаждения

• Какое свойство жиров предохраняет купальщика от переохлаждения?

Кроме того, низкая теплопроводность жира делает подкожный жировой слой прекрасным теплоизолятором, предохраняющим организм от переохлаждения.

В клетке роль липидов очень велика. Липидная плёнка — основа всех клеточных мембран, которые являются строительным материалом для органелл.

Основной источник энергии

• Из чего сделаны энергоносители?

Процессы роста и поддержания жизни требуют затрат энергии. Наряду с жирами существует другой источник энергии для организма — глюкоза, вещество из класса углеводов. Среди углеводов есть вещества как с маленькими молекулами (простые сахара), так и с большими (сложные сахара). Простые сахара: глюкоза и фруктоза - бесцветные твёрдые кристаллические вещества, хорошо растворимые в воде, обычно сладкие на вкус. Именно они придают сладость фруктам и ягодам. Молекула обычного пищевого сахара (сахарозы) состоит из двух звеньев — глюкозы и фруктозы. А вот знакомый вам из курса ботаники крахмал и гликоген (животный крахмал) имеют очень большие разветвлённые молекулы. Они состоят из сотен тысяч и даже миллионов молекул глюкозы, соединённых между собой различными способами.

Таблица 2. Химический состав продуктов, %

Продукт	Белки	Жиры	Углеводы	Вода	Другие вещества
Хлеб ржаной	6,5	1,0	40,1	47,5	4,9
Хлеб пшеничный	7,6	0,9	49,7	39,5	2,3
Крупа гречневая	12,6	2,6	68,0	14,0	2,8
Сахар - рафинад	-	-	99,8	0,1	0,1
Масло сливочное	0,6	82,5	0,9	15,8	0,2
Масло подсолнечное	-	99,9	-	0,1	-
Мясо	18,9	12,4	-	67,7	1
Молоко	2,8	3,2	4,7	88,5	0,8
Кефир	2,8	3,2	4,1	88,8	1,1
Мороженое	3,2	15,0	20,8	60,0	1
Рыба	26,0	1,2	-	69,4	3,4
Картофель	2,0	0,1	19,7	75,0	3,2
Морковь	1,3	0,1	7,0	88,5	3,1
Яблоки	0,4	-	11,3	86,5	1,8
Апельсины	0,9	-	8,4	87,5	3,2
Грибы белые	3,2	0,7	1,6	89,9	5

• Из каких продуктов мы в основном получаем белки, жиры и углеводы? В чём главные отличия растительной и животной пищи?

В клетке глюкоза окисляется, “сгорает” с выделением энергии, превращаясь в углекислый газ и воду. В клетках печени и мышц глюкоза может запасаться в виде гликогена. Подобно липидам, он плохо растворяется в воде и при хранении не вымывается из клеток. Но в отличие от липидов гликоген под действием ферментов легко расщепляется на отдельные растворимые в воде молекулы глюкозы, которые затем доставляются кровью к органам. Таким образом энергия, запасённая в виде гликогена, может быть использована очень оперативно. Зато при расщеплении липидов энергии выделяется вдвое больше, и организм использует их в качестве стратегических запасов.

4.7. Молекулы крахмала - Б и гликогена - В состоят из множества простых сахаров - А

Удивительное вещество - вода

• Можно ли назвать воду основой жизни?

Много сотен миллионов лет назад в океане возникла жизнь. Прошли опять - таки миллионы лет, прежде чем живые организмы решились выйти на сушу. Водный раствор различных веществ, окружающий клетки, в котором протекают все необходимые для жизни процессы, это — “море внутри нас”. Почему прошли многие миллионы лет, а все организмы по - прежнему вынуждены “носить в себе капельку моря”? Всё дело в том, что органические молекулы могут взаимодействовать только в воде, которая обладает многими уникальными свойствами.

Вода — отличный растворитель, значительно лучший, чем большинство других жидкостей. В ней растворяется значительная часть солей, газов, органических соединений. Все химические реакции в живом организме идут в растворе. В воде растворяются отходы, от которых необходимо избавиться.

Большое количество воды в клетках придаёт им упругость, позволяет противостоять механическим воздействиям.

Вода обладает способностью поглощать значительное количество тепла при переходе из жидкого состояния в газообразное. Это даёт возможность организму освобождаться от избытка тепла путём испарения воды, например, при потении.

Наконец, вода служит основой смазочных материалов, необходимых везде, где один орган трётся о поверхность другого, например, в суставах.

Но мы говорили о “море”, а морская вода содержит минеральные соли. В жидкостях тела, нашем “внутреннем море”, тоже растворены минеральные соли, примерно те же, что и в морской воде, но в меньших количествах.

В нормальных условиях содержание различных солей в жидкостях тела чрезвычайно постоянно, так как отклонение от нормы может привести к негативным последствиям, а иногда и к смерти.

В организме человека используются и нерастворимые соли, например, как структурные компоненты костей и зубов для придания им жёсткости.

4.8. Человек на 70% состоит из воды

• От чего тело человека не “расплывается”, как наполненный водой воздушный шарик?

Формулирование вывода

Все самые крупные на свете молекулы синтезируются только живыми организмами. Важнейшие классы органических веществ: белки, липиды, нуклеиновые кислоты, углеводы. Строение молекул веществ, особенно белков, очень разнообразно. В организме они “собираются” путём комбинирования в разных сочетаниях небольшого количества молекулярных блоков, свойственных каждому из этих классов.

Белки, липиды, углеводы, ДНК, вода

Применение знаний

1. Какие группы органических веществ входят в состав клетки?

2. Какую роль играют различные группы органических веществ?

3. Почему вода составляет основу вещества клеток?

4. Что означает фраза: “Все ферменты - белки, но не все белки - ферменты”?

5. Придумайте код, с помощью которого можно зашифровать информацию в длинной

последовательности букв, причём для создания кода можно использовать только четыре буквы (а, б, в, г).

6. Почему существуют проблемы борьбы с ожирением, но не существует проблемы борьбы с избытком гликогена?

7. Почему дети так любят сладкое?

8. Поработайте в паре или группе: пусть каждый по очереди формулирует вопросы по пройденной теме, а другой (другие) отвечает на них.