Читати онлайн
Органічні речовини в живій природі. Рівні структурної організації органічних речовин
Мета уроку: розглянути органічні сполуки як складові компоненти живих організмів та складність їхньої взаємодії й організації, використовуючи знання, набуті учнями на уроках біології; підкреслити єдність живої й неживої природи і формувати в учнів єдину картину світу.
Очікувані результати: учні повинні закріпити міжпредметні зв’язки між хімією й біологією, поглибити знання про хімічну сутність біологічних процесів, що протікають у живих організмах; учні повинні усвідомлювати складність структурної організації органічних речовин.
Обладнання: схеми будови білків, вуглеводів, нуклеїнових кислот; схема будови клітини.
Тип уроку: комбінований.
1. Організаційний етап
1.1. Привітання.
1.2. Перевірка присутності учнів: кількість за списком _________,
кількість присутніх на уроці ___________, відсутніх ___________.
1.3. Перевірка готовності учнів до уроку.
1.4. Перевірка готовності класного приміщення до уроку.
2. Етап перевірки домашнього завдання
2.1. Перевірка письмового домашнього завдання біля дошки.
2.2. Фронтальне опитування за запитаннями з підручника.
2.3. Завдання «Склади формулу».
Учні мають за визначений час скласти максимальну кількість формул органічних сполук із поданих частин формул, радикалів, функціональних груп та визначити, до якого класу речовин
вони належать.
а) СH3—;
б) ОH—;
в) СH3—CH2—;
г) NH2—;
д) —COOH;
е) СH3—CH(CH3)— СH —
3. Етап підготовки учнів до активного й усвідомленого засвоєння нового матеріалу
3.1. Повідомлення теми нового матеріалу.
3.2. Формулювання разом з учнями мети і задач вивчення нового матеріалу.
Слово вчителя
Як вам уже відомо, у складі живих організмів містяться органічні речовини. Різноманітність живої природи вимагає й наявності відповідного числа органічних речовин. Які класи органічних сполук найбільше представлені в живих організмах? Як впливає зміна структури органічних речовин на живий організм? На сьогоднішньому уроці ми намагатимемося дати відповіді на ці запитання.
4. Актуалізація опорних знань
Запитання до учнів
У живих організмах містяться оксигено- та нітрогеновмісні органічні сполуки. До яких класів органічних сполук вони належать?
5. Етап засвоєння нових знань
1. Основні органічні речовини, що містяться у складі живих організмів
Білки
За елементним складом білки відрізняються від жирів і вуглеводів тим, що, крім Карбону, Гідрогену й Оксигену, їх молекули містять Нітроген. Крім того, усі рослинні та більшість тваринних білків містять у своєму складі Сульфур (0,3–2,5 %). Деякі фізіологічно важливі білки містять Фосфор (0,5–0,6 %).
Білки — високомолекулярні сполуки. Визначена різними методами молекулярна маса може коливатися від кількох тисяч до 10 і більше мільйонів (наприклад, у вірусів сказу, віспи).
За формулою молекул розрізняють білки фібрилярні (нитчасті) і глобулярні (кулясті). До першої групи належать білки волосся, вовни, мускульної тканини, до другої — більшість білків рослинних і тваринних організмів.
Деякі білки розчиняються у воді, інші в слабких розчинах нейтральних солей або
в 70 %-му спирті, деякі — у розбавлених розчинах кислот або лугів. Є й такі білки, що в названих рідинах на розчиняються.
Жири
Жири — органічні речовини, що є сполукою естерів (складних ефірів) трьохатомного спирту (гліцеролу) і жирних кислот.
У рослинному й тваринному світі налічується близько 1300 видів жирів, але їхній елементний склад відносно мало коливається й дорівнює в середньому, (%):
Карбон: 76–79; Гідроген: 11–13 і Оксиген: 10–12.
Жири тваринного походження мають при кімнатній температурі, зазвичай, тверду консистенцію. Риб’ячий жир та більшість рослинних жирів — рідку. З рослинних жирів твердими є какаова олія та пальмова олія.
Шляхом гідролізу (омилення) жири легко розщеплюються на гліцерол і жирні кислоти, причому різні кислоти виявляють неоднакову стійкість до дії високих температур і мікроорганізмів.
Вуглеводи
Вуглеводи — складова частина клітин усіх живих організмів. Вуглеводи є найпоширенішими органічними сполуками. Це підтверджується тим, що більше половини органічного вуглецю на Землі існує у формі вуглеводів.
Здебільшого вуглеводи є сполуками рослинного походження — це продукти фотосинтезу і тому вони є базовою ланкою у трансформації сонячної енергії у хімічну для забезпечення життя на Землі.
Поряд із білками і жирами, вуглеводи — важлива складова частина харчування людини і тварин, багато з них використовується як технічна продукція.
Із хімічної точки зору вуглеводи є полігідроксикарбонільними сполуками та їхніми похідними із загальною формулою Cn(H2O)m.
Вуглеводи поділяють на моносахариди, дисахариди, олігосахариди і полісахариди.
Низькомолекулярні вуглеводи відомі також як цукри.
У вищих рослинах вуглеводів міститься більше, ніж інших речовин. Деревина, наприклад, містить понад 50 % найскладніших вуглеводів, до яких належить целюлоза, причому її «супроводжують» менш складні прості вуглеводи, пектинові речовини й геміцелюлози.
Харчова енергетична цінність вуглеводів становить приблизно 4 ккал/г. Особлива група органічних сполук — це біологічно-активні речовини. Вони впливають на процеси обміну речовин і перетворення енергії в живих організмах.
Вуглеводи у великій кількості містяться в рослинних і тваринних організмах. У природі переважно поширені пентози і гексози.
Нуклеїнові кислоти
Нуклеїнові кислоти — складні високомолекулярні біополімери, мономерами яких є нуклеотиди. Природні нуклеїнові кислоти виконують у всіх живих організмах роль передачі й експресії генетичної інформації. Залежно від виду пентози, що входить до складу нуклеотиду, їх поділяють на дезоксирибонуклеїнову (ДНК) та рибонуклеїнову (РНК).
Нуклеїнові кислоти є біополімерами, мономерами яких є нуклеотиди. Нуклеотиди є естерами (складними ефірами) нуклеозиду й ортофосфатної кислоти і з’єднуються через залишок ортофосфатної кислоти. Нуклеозид складається з моносахариду — пентози (рибози або дезоксирибози залежно від типу нуклеїнової кислоти) і нітратної основи (пуринового або піримідинового).
Уперше нуклеїнові кислоти були виділені з ядра. Звідси й походить назва цих сполук (від латин. нуклеус — ядро). Це найбільш високомолекулярні речовини у клітині.
2. Функції органічних речовин у живих організмах
Функції білків
Будівельна — входять до складу всіх клітин.
Регуляторна — беруть участь у регуляції функцій організму.
Каталітична — прискорюють хімічні реакції.
Захисна — захищають клітини й організм від хвороботворних організмів і чужорідних тіл.
Транспортна — переносять гази та інші речовини.
Функції жирів
1. Енергетична (у разі повного окислення 1 г жирів до вуглекислого газу і води виділяється 38,9 кДж енергії).
2. Будівельна (структурна) — основна складова клітинних мембран.
3. Захисна — механічний захист від ударів, тепло- і гідроізоляція.
4. Запасаюча — підшкірний жир у ссавців, «жирове тіло» у комах.
5. Джерело ендогенної води.
Функції вуглеводів
1. Енергетична — при розщепленні 1 г вивільняється 17,2 кДж енергії.
2. Будівельна (структурна) — компонент клітинних мембран.
3. Опорна (пластична) — хітин є компонентом зовнішнього скелета членистоногих та клітинних стінок деяких грибів і водоростей, а також целюлоза є компонентом клітинних стінок у рослин.
4. Запасаюча — крохмаль у рослин, глікоген у тварин.
5. Захисна — в’язкі секрети (слизи), багаті на вуглеводи та їхні похідні — глікопротеїди, оберігають стінки органів (шлунок, кишечник, бронхи) від механічних і хімічних впливів.
6. Рецепторна — більшість клітинних рецепторів є глікопротеїнами. Зв’язуючись з інтегральними мембранними білками, вуглеводи у складі рецепторів беруть участь у розпізнаванні сигнальних молекул (гормонів, нейромедіаторів).
3. Структурна організація білків
Істотна причина різноманітності білків у порівнянні, наприклад, з полісахаридами полягає в тім, що у складі макромолекул білка може міститися близько 20 різних амінокислот, у той час як звичайні полісахариди (целюлоза, крохмаль) побудовані з одного мономера — глюкози.
Уяву про різноманітність білків дає підрахування числа різних декапептидів (тобто ізомерних поліпептидів із 10 залишками амінокислот), які можна побудувати з 20 відомих білкових амінокислот. Це число розміщень 20 елементів у групи по 10 елементів. Обчислення за формулою:
де в нашому випадку m=20, n=10, дає число близько 600 млрд. Але ж цей розрахунок стосується порівняно простого поліпептиду з молекулярною масою 3000!
Розрізняють чотири рівні структурної організації білків.
Первинна структура — це послідовність амінокислотних залишків у поліпептидному ланцюзі.
Вторинна структура — це первинна структура, яка упакована в спіраль завдяки утворенню водневих зв’язків між групами —CO та —NH.
Третинна структура — це упакування спіралі у просторову глобулу завдяки додатковим водневим і дисульфідним зв’язкам та гідрофільно-гідрофобним взаємодіям.
Четвертинна структура — це спільне упакування декількох поліпептидних ланцюгів.
Цікавий факт
• Окремі представники білків (пептидів)
В організмі пептиди виконують роль регуляторів різних біохімічних процесів. Наприклад, пептидні антибіотики є лікарськими препаратами. Їх використовують для лікування захворювань, що викликані мікроорганізмами. Навпаки, пептидні токсини — найбільш отруйні речовини із всіх відомих. Наприклад, з колоніїClostridum botulinum був виділений пептид ботулін, смертельна доза якого становить 1.10-11 м2 на 1 кг маси тварини. Пептиди дифтерійної палички, блідої поганки, зміїної отрути також належать до дуже токсичних речовин. Токсичність цих пептидів пояснюється тим, що вони блокують («вимикають») біохімічні реакції, без протікання яких організм існувати не може.
Ученими виділені пептиди, що мають цінні смакові якості. Наприклад, із деяких африканських рослин добуті пептиди тауматин і монелин, які в 22 000 разів солодші за цукор. «Пептиди сну», уведені в організм викликають глибокий і міцний сон.
• Оптичні ізомери амінокислот
Лише у найпростішій амінокислоті — гліцині до α-атома Карбону, крім аміногрупи, приєднано два атоми Гідрогену. У всіх інших випадках усі чотири замісники в α-атома Карбону різні, тому цей атом є асиметричним. Отже, усі амінокислоти, крім гліцину, повинні бути представлені двома оптично активними формами ізомерів, що є дзеркальним відображенням один одного. Дійсно, усі амінокислоти, за винятком гліцину, мають оптичну активність і можуть існувати в двох конфігураціях — в D-формі або L-формі.
Надзвичайно вражаючим є той факт, що виявлено лише один із двох можливих енантиомерів кожної амінокислоти у тваринних і рослинних білках і що кожний такий енантиомер має однакову конфігурацію для всіх амінокислот. Тобто у всіх випадках атом Гідрогену, карбоксильна група й аміногрупа займають однакове просторове положення щодо групи R та α-атома Карбону. Усі природні білки побудовані з L-амінокислот!
Це досить загадковий факт, і поки ще не відомо, чому живі організми побудовані з L-, а не D-молекул амінокислот. Усі вивчені білки, одержані з тваринних і рослинних організмів (як із вищих, так і з найпростіших — бактерій і навіть вірусів), складаються, як виявлено, з L-амінокислот.
Праві й ліві форми молекул мають зовсім однакові властивості, коли це стосується їхньої взаємодії зі звичайними речовинами, але вони розрізняються у випадку, коли вони взаємодіють із біологічними молекулами (ферментами). На Землі могли б існувати організми, побудовані з D-амінокислот, так само як зараз живуть організми, побудовані з L-амінокислот. Якби одна людина раптово перетворилася у своє дзеркальне зображення, то вона не помітила б спочатку будь-яких змін навколо себе, за винятком того, що писала б не правою, а лівою рукою, зачісувала б волосся в інший бік, по биттю серця почувала б, що воно розміщується в правій частині грудної клітки й т. д. Людина могла б пити воду, дихати повітрям і використовувати кисень для процесів окиснення, видихати карбон(IV) оксид, тобто весь організм її функціонував би нормально доти, поки людині не потрібна була б їжа. Одразу виявилося б, що людина не може перетравлювати звичайну їжу рослинного або тваринного походження. Вона могла б підтримувати життя, тільки споживаючи їжу, що містить штучні
D-амінокислоти, синтезовані в хімічних лабораторіях. Ця людина не могла б мати дітей, доки не знайшла б дружину (чоловіка), що піддалася такому ж процесу перетворення у своє дзеркальне зображення. Тобто Земля могла б бути населеною двома зовсім незалежними видами живих організмів — рослинами, тваринами, людськими істотами, які не могли б користуватися їжею протилежного амінокислотного виду, не могли б народити гібридних нащадків.
Нікому ще не відомо, чому живі організми побудовані з L-амінокислот. Поки немає переконливих доказів того, що молекули, подібні до білків, не могли б бути побудовані з рівного числа правих і лівих молекул амінокислот. Можливо, білкові молекули, побудовані з молекул амінокислот лише одного виду найкраще підходять для побудови живих організмів, але якщо це так, то невідомо, чому це саме так.
Так само наука не знає чому живі організми вибрали L-, а не
D-орієнтацію. Висловлювалося припущення, що перший живий організм, випадково скористався декількома молекулами
з L-конфігурацією, що були тоді в однаковому співвідношенні
D-молекулами. Згодом усі наступні форми життя в процесі розвитку продовжували користуватися молекулами L-амінокислот, отриманими «в спадщину» від первісної форми життя. Може, буде знайдене краще пояснення, але яким воно буде ще не відомо.
• Рідкі (нестандартні) амінокислоти
У живих організмах міститься невелике число рідких амінокислот. Вони являють собою похідні деяких стандартних амінокислот. Гідроксипролін, наприклад, це похідна проліну, що міститься у складі колагену; крім гідроксипроліну в колагені міститься ще одна рідка амінокислота — гідроксилізин, похідне лізину.
У триплетному коді ДНК немає кодонів для цих рідких амінокислот. Рідкі амінокислоти утворюються шляхом модифікації відповідних вихідних амінокислот уже після того, як ті приєднаються до поліпептидного ланцюга.
• Амінокислоти, що не входять до складу білків
Таких кислот відомо понад 150. Вони перебувають у клітинах у вільному або зв’язаному виді, але ніколи не виявляються в складі білків. Орнитин і цитрулін, наприклад, це важливі проміжні продукти у синтезі аргініну. γ-аміномасляну кислоту можна виявити тільки в нервовій тканині. Вона виконує функцію інгібітору нейромедиаторів і відіграє важливу роль у функціонуванні центральної нервової системи.
4. Гідроліз і денатурація білків
Гідроліз — це процес розпаду поліпептидних зв’язків білкової молекули з утворенням вільних амінокислот. Гідроліз відбувається під час нагрівання білків із розчинами кислот та лугів або внаслідок дії ферментів.
Денатурація — це процес руйнування просторової конфігурації білка (вторинної, третинної, четвертинної) і втрачання властивих йому функцій.
Денатурація відбувається під впливом нагрівання, випромінювання, дії сильних кислот та лугів.
Процес денатурації необоротний, проте в усіх випадках первинна структура білка (амінокислотна послідовність) залишається незмінною.
5. Структурна організація вуглеводів
Залежно від числа мономерів, що входять до складу молекул, вуглеводи поділяють на три основні класи: моносахариди, олігосахариди та полісахариди.
Моносахариди залежно від числа атомів Карбону, поділяють на тріози (3 атоми), тетрози (4), пентози (5), гексози (6) і так далі до декоз (10). У природі найпоширенішими є гексози, а саме глюкоза і фруктоза. Солодкий смак ягід, фруктів, меду залежить від вмісту в них цих сполук. Серед пентоз важливе значення мають рибоза і дезоксирибоза, що входять до складу нуклеїнових кислот та аденозинтрифосфатної кислоти (АТФ).
Олігосахариди — сполуки, в яких кілька залишків молекул моносахаридів з’єднані між собою ковалентними зв’язками. Серед них найпоширенішими є дисахариди, що утворюються внаслідок сполучання залишків двох молекул моносахаридів. Наприклад, буряковий (або тростинний) цукор — сахароза — складається із залишків глюкози і фруктози, а солодовий — мальтоза — лише із залишків глюкози. Дисахариди мають солодкий присмак. Вони, як і моносахариди, добре розчинні у воді.
Полісахариди — це молекули, молекулярна маса яких може сягати кількох мільйонів. Полісахариди розрізняються між собою складом мономерів, довжиною та розгалуженістю ланцюгів. На відміну від моно- та олігосахаридів, полісахариди майже не розчиняються у воді та не мають солодкого присмаку.
Один із найпоширеніших полісахаридів — крохмаль. Він синтезується в процесі фотосинтезу в клітинах рослин і складається із залишків глюкози. Крохмаль у значній кількості відкладається в клітинах рослин насамперед листків, насіння, бульб тощо. У клітинних стінках рослин міститься полісахарид целюлоза — міцний, волокнистий, нерозчинний у воді. Деревина, кора, бавовна складаються переважно з целюлози.
У грибів, тварин і людини запасним полісахаридом є глікоген. Він відкладається здебільшого в м’язах і клітинах печінки. У складі клітинних стінок деяких грибів і зелених водоростей, кутикули членистоногих міститься полісахарид — хітин.
6. Жири і жироподібні речовини, їхні хімічні особливості
Залежно від хімічної природи, ліпіди поділяють на жири і ліпоїди (жироподібні речовини).
Жири (тригліцериди, нейтральні жири) являють собою естери (складні ефіри) триатомного спирту гліцеролу і жирних кислот або суміш вільних жирних кислот і тригліцеридів (жирові включення або краплини жиру в клітинах діатомових водоростей, жирової тканини свиней, тюленів, китів; рідкі жири (олії) в насінні льону, соняшника, арахісу тощо).
Трапляються в живих клітинах і вільні жирні кислоти: пальмітинова, стеаринова, лінолева, рицинолева.
Ліпоїди — жироподібні речовини, до яких належать фосфоліпіди, стероїди, різні воски і воскоподібні сполуки, а також жиророзчинні сполуки: пігменти (хлорофіли, каротини), вітаміни (A, D, E, K).
6. Узагальнення й закріплення знань
Робота з підручником
Учні, використовуючи конспект і підручник, складають запитання до вивченого матеріалу, потім ставлять їх один одному.
Можна розбити клас на групи й улаштувати змагання. Оцінювати можна як відповіді, так і цікаві запитання. Деякі запитання можна запропонувати як домашнє завдання.
7. Домашнє завдання, інструктаж щодо його виконання
7.1. Завдання для всього класу.
Підручник _____________________________________________
Робочий зошит _________________________________________
Збірник завдань ________________________________________
7.2. Індивідуальне завдання.
_____________________________________________________________
_____________________________________________________
