Применение структурно-логических схем в преподавании биологии

1680 г. - А. Левенгук (голл.) изобрел первый микроскоп.

Первым, кто  понял и оценил огромное значение микроскопа, был английский физик и ботаник Роберт Гук (1665г). Он впервые применил микроскоп для исследования растительных и животных тканей. Изучая срез, приготовленный из пробки и сердцевины бузины, Гук заметил, что в их состав входит множество мелких образований, похожих по форме на ячейки пчелиных сот. Он дал им название- клетки. Термин « клетка» утвердился в биологии, хотя Гук видел не собственно клетки, а оболочки растительных клеток. После Р. Гука клеточное строение подтвердили ботаники М. Мальпиги (1675г) и Н. Грю (1682).

Клеточная теория «Каждая клетка от клетки»

1838 г. - авторы  теории ботаник Шлейден и немецкий  зоолог Шванн.

1858 г. - добавление  к теории (Вирхов)

Основные положения:

1. Все живые организмы (растения, грибы, животные, бактерии) состоят из клеток, значит клетка - единица строения живого.

2. Новые клетки образуются путем деления ранее существовавших, значит клетка - единица развития живого. (1858 г.)

3. Все клетки (растительные и животные) сходны по строению, по химическому составу, по обмену веществ.

4. В многоклеточных организмах клетки образуют ткани, активность целого организма зависит от активности и взаимодействия отдельных клеток. (Вирхов)

Общность химического  состава и строения клеток свидетельствует  о единстве происхождения всего живого на Земле. Клетка имеет оболочку, цитоплазму и ядро – основные органоиды.

Фрагмент урока  на тему: «Химический состав клетки»

Все живые организмы  – это биологические системы, имеющие сходные черты строения и жизнедеятельности. У них единый генетический код, близкие химический состав, строение молекул и клеток, однотипное строение тела на одинаковых уровнях организации. Такое единство химического состава  живых организмов дает возможность построить общую систему уровней организации живой материи от молекулярного до биосферного, доказывает единство происхождения.

«Химия вокруг нас» –  это часто встречающееся утверждение  неточно. Химия не только вокруг нас, но и внутри нас. Вся вселенная  построена из химических элементов, которые составляют периодическую систему химических элементов Д.И.Менделеева. Они одни и те же и на Земле, и в глубинах космоса. В состав живых клеток входят 24 химических элемента периодической системы Д.И.Менделеева. Это – С, Н, О, N, Fe, Mg, K, Na, Ca, S и др.

 

Рис. 6. Химический состав клетки

По количественному  содержанию в живых системах все  химические элементы подразделяются на три группы:

1. Макроэлементы  - химические элементы в сумме  составляющие около 98 % всего содержимого  клетки ( H , N,O, C ).

2. Микроэлементы  - химические элементы в сумме составляют около 1,9 % всего содержимого клетки.

3. Ультрамикроэлементы  - химические элементы, в сумме  составляющие около 0, 02 % ( Zn, Cu, I, F и т. д ).

В клетках живых  организмов содержится несколько тысяч  веществ, которые участвуют в разнообразных химических реакциях. Если проанализировать химический состав клетки, то окажется, что из 109 элементов периодической системы Менделеева в ней обнаруживается большинство, причем клетки бактерий, грибов, растений и животных имеют сходный химический состав. Особенно велико содержание в клетках кислорода, углерода, водорода и азота. В сумме эти элементы составляют почти 98 % всего содержимого клетки. В состав живых клеток входит ряд относительно простых соединений, которые встречаются и в неживой природе – в минералах, природных водах. Это неорганические соединения.

Есть элементы, содержание которых в клетке очень  мало. Это: сера, хлор, калий, магний, натрий, кальций и железо. Все остальные  элементы содержатся в клетках в количестве ничтожно малом, но при недостатке этих микроэлементов возникают серьезные нарушения обмена веществ. Все эти химические элементы входят и в состав неживой природы. Таким образом, между химическим составом живых организмов и неживой природой существует принципиальное единство.

Органическими веществами называют сложные углеродсодержащие  вещества. Их количество в клетке во много раз превышает количество неорганических соединений. Это углеводы, белки, жиры, нуклеиновые кислоты и АТФ.

Многие органические молекулы представляют собой полимеры, т.е. являются многозвеньевыми цепями. Углеводы и жиры способны в организме превращаться друг в друга. Белки также могут преобразовываться в жиры и углеводы. В земной коре: O, Si, Al, Na – 90% [33].

Фрагмент урока  на тему: «Белки и нуклеиновые кислоты»

Одними из наиболее важных органических соединений в живой  природе являются белки. В каждой живой клетке присутствуют одновременно более тысячи видов белковых молекул. И у каждого белка своя особая, только ему свойственная функция.

Длинные белковые цепи построены всего из 20 различных типов аминокислот. Биологи называют их  «волшебными» аминокислотами. Аминокислоты имеют общий план строения, но отличаются друг от друга по строению радикала. Соединяясь, молекулы аминокислот образуют так называемые пептидные связи. Реакция, которую вы видите, называется реакцией полимеризации. В результате взаимодействия аминогруппы одной аминокислоты с карбоксильной группой другой аминокислоты выделяется молекула воды, а освобождающиеся электроны образуют ковалентную связь, которая получила название пептидной.  Две аминокислоты, соединившись, образуют дипептид, три – трипептид.  Продолжите ряд, (4 - тетрапепсид, 5 - пентапептид, 6 - гекса… , а много - полипептид). Если вам в тексте учебника попадутся термины «полипептид», «полипептидная молекула», то вы уже будете знать, что речь идет о молекуле белка.

Рис. 7. Белки

Белок – это 

- низкомолекулярное  соединение или высокомолекулярное? (высокомолекулярное)

- можем мы  назвать ее биополимером? (да)

- аргументируйте свою мысль (биополимеры – это крупные органические молекулы, состоящие из мономеров)

- что является  мономером белковой молекулы? (аминокислоты)

- сколько видов  аминокислот может входить в  состав белковой молекулы? (20)

- белок относится  к гомополимерам или гетерополимерам? Аргуменитруйте свою мысль. (к гетерополимерам, потому что в состав белков входят отличающиеся друг от друга мономеры – 20 аминокислот).

Молекулы белков имеют сложную пространственную структуру.

Линейная последовательность аминокислот в составе полипептидной цепи представляет первичную структуру белка. Она уникальна для любого белка и определяет его форму, свойства и функции.

Вторичная структура  белков представляет собой спираль  или гармошку. Витки спирали или  ребра гармошки удерживаются водородными связями между группами —СООН и —NН2— . Хотя водородные связи непрочные, но благодаря их значительному количеству в комплексе они обеспечивают довольно прочную структуру.

Третичная структура  представляет собой причудливую, но для каждого белка специфическую конфигурацию, имеющую вид клубка (глобулу). Прочность третичной структуры обеспечивается ионными, водородными и дисульфидными (—S—S—) связями между остатками цистеина, а также гидрофобным взаимодействием.

Четвертичная  структура характерна не для всех белков. Она возникает в результате соединения нескольких глобул в сложный комплекс. Например, гемоглобин крови человека представляет комплекс из четырех таких субъединиц, инсулин – из двух.

Белки в организме  выполняют следующие функции: структурная, двигательная, транспортная, защитная, регуляторная, энергетическая, запасающая, каталитическая.

Денатурация —  это утрата белковой молекулой своей  структурной организации: четвертичной, третичной, вторичной, а при более жестких условиях — и первичной структуры. В результате денатурации белок теряет способность выполнять свою функцию. Причинами денатурации могут быть высокая температура, ультрафиолетовое излучение, действие сильных кислот и щелочей, тяжелых металлов и органических растворителей.

Денатурация может быть обратимой и необратимой, частичной и полной. Иногда, если воздействие денатурирующих факторов оказалось не слишком сильным и разрушение первичной структуры молекулы не произошло, при наступлении благоприятных условий денатурированный белок может вновь восстановить свою трехмерную форму. Этот процесс называется ренатурация.

Нуклеотид - химическое соединение остатков трех веществ: азотистого основания, углевода, фосфорной кислоты.

Азотистые основания: аденин (А), гуанин (Г), тимин (Т), цитозин (Ц)

Соединение  нуклеотидов в нити ДНК происходит через углевод одного нуклеотида и фосфорную кислоту другого. Они соединяются простой ковалентной связью. Каждая нить ДНК представляет собой полинуклеотид - длинную цепь, в которой в строго определенном порядке расположены нуклеотиды. Азотистые основания одной цепи стыкуются с азотистыми основаниями другой. Между ним возникают водородные связи.

ДНК содержится в ядре клетки, а также митохондриях и хлоропластах. В ядре ДНК входит в состав хромосом, где она находится в соединении с белками.

В клетке имеется  несколько видов РНК. Все они  участвуют в синтезе белка.

1. Транспортные РНК (тРНК) - это самые маленькие по размерам РНК. Они связывают АК и транспортируют их к месту синтеза белка.
2. Информационные РНК (иРНК) - они в 10 раз больше тРНК. Их функция состоит в переносе информации о структуре белка от ДНК к месту синтеза белка.
3. Рибосомные РНК (рРНК) - имеют наибольшие размеры молекулы, входят в состав рибосом.

Молекула ДНК  и РНК - полинуклеотид, неразветвленный, линейный. Молекула ДНК двухцепочечная. Нуклеотиды двух цепочек соединяются водородными связями по принципу комплиментарности. Комплиментарность - пространственная взаимодополняемость молекул или их частей, приводящая к образованию водородных связей. Комплиментарные структуры подходят друг к другу как "ключ с замком":

В одной цепи против А всегда оказывается Т  на другой цепи, а против Г одной  цепи - всегда Ц. Только при этом сочетании  нуклеотидов обеспечивается одинаковое по всей длина двойной спирали расстояние между цепями и образование между  противолежащими основаниями максимального число водородных связей (3 водородные связи между Г и Ц; 2 - между А и Т). Это принцип комплиментарности.

Комплиментарность лежит в основе многих явлений, связанных  с "узнаванием" на молекулярном уровне (сигнальная функция белков). (Пр.: механизм иммунитета, ферментативный катализ) [27].

Фрагмент урока  на тему: «Органоиды клетки и их функции»

Сегодня мы познакомимся с  не менее важными органоидами  клетки.  Эукариотическая клетка разделена мембранами на отсеки – компартменты. Каждый компартмент является органеллой. Каждая органелла выполняет свою функцию. Клетка разделяется на отделы с помощью мембран. В каждой клетке присутствуют органоиды общего назначения (митохондрии, пластиды, лизосомы) и специальные органоиды (жгутики, реснички).

 

Рис. 8. Органоиды растительной и животной клетки

Классификация органоидов: немембранные (рибосомы, клеточный  центр, микротрубочки) и мембранные  (одномембранные – ЭПС, АГ, лизосомы, двухмембранные – пластиды, ядро, миохондрия).

Цитоплазматическая  мембрана – важная составляющая клетки. Отграничивает ее от внешней среды. Если не будет мембраны, клеточное содержимое сольется с окружающей средой. Мембрана проницаема для воды и избирательно проницаема для других веществ. Не каждое вещество может проникнуть в клетку. Чем меньше молекула вещества, тем легче ему проникнуть в клетку. Крупным молекулам буквально приходится выстраиваться в очередь.

Мембрана состоит  она из липидного бислоя и белков (сделать рисунок). Мембранные белки разделяются на переферические (находятся на поверхности клетки, обеспечивают связь мембраны с цитоскелетом или являются ферментами), интегральные (пронизывают мембрану насквозь, с  их помощью происходит перенос веществ в клетку и из нее), заякоренные

А теперь начертите  таблицу. Для начала прослушайте  информацию об органоидах клетки, а  затем заполните таблицу.

Ядро – место  формирования ДНК и РНК. Содержит основную часть генетической информации.

ЭПС (эндоплазматическая сеть) – непрерывная трехмерная сеть канальцев и цистерн. Начинается как выпячивание внешней мембраны ядра и заканчивается у цитоплазматической мембраны. Различают гладкий и шероховатый ретикулум. На шероховатом находятся рибосомы. Это место синтеза большинства белков и липидов клетки. Гладкий используется для перемещения синтезированных веществ.

Аппарат Гольджи  – им заканчивается ЭПР. Аппарат  Гольджи состоит из отдельных  пузырьков и телец. Получает от ЭПР  белки и липиды, сортирует их и  направляют к органоидам.

Митохондрия –  симбиотический организм. Предшественницей была бактерия. Имеется собственные ДНК, рибосомы, двойная мембрана. Внутренняя мембрана имеет большое количество впячиваний – крист. Осуществляет процесс дыхания в клетке. Синтезирует АТФ из АДФ и обеспечивает таким образом клетку энергией.

Лизосома –  Небольшое тельце, ограниченное от цитоплазмы одинарной мембраной. В  ней находятся литические ферменты, способные расщепить все биополимеры. Основная функция- автолиз – то есть расщепление отдельных органоидов, участков цитоплазмы клетки.

Пероксисомы - или  микротельца. Округлой формы. Содержат одну мембрану, не содержат ДНК и рибосом. Утилизируют кислород в клетке. (кислород очень вреден для клетки)