Вода, ее роль в клетке и организме. Вода и ее биологическое значение Содержание воды в клетках колеблется от

1. Какое строение имеет вода?

Ответ. Молекула воды имеет угловое строение: входящие в её состав ядра образуют равнобедренный треугольник, в основании которого находятся два водорода, а в вершине – атом кислорода. Межъядерные расстояния О-Н близки к 0,1 нм, расстояние между ядрами атомов водорода равно 0,15 нм. Из шести электронов, составляющих внешний электронный слой атома кислорода в молекуле воды, две электронные пары образуют ковалентные связи О-Н, а остальные четыре электрона представляют собой две неподелёные электронные пары.

Молекула воды представляет собой маленький диполь, содержащий положительный и отрицательный заряды на полюсах. Около ядер водорода имеется недостаток электронной плотности, а на противоположной стороне молекулы, около ядра кислорода, наблюдается избыток электронной плотности. Именно такая структура и определяет полярность молекулы воды.

2. Какое количество воды (в %) содержится в различных клетках?

Количество воды неодинаково в разных тканях и органах. Так, у человека в сером веществе головного мозга ее содержание составляет 85 %, а в костной ткани - 22 %. Наибольшее содержание воды в организме наблюдается в эмбриональный период (95 %) и с возрастом постепенно уменьшается.

Содержание воды в различных органах растений колеблется в довольно широких пределах. Оно изменяется в зависимости от условий внешней среды, возраста и вида растений. Так, содержание воды в листьях салата составляет 93-95%, кукурузы - 75-77%. Количество воды неодинаково в разных органах растений: в листьях подсолнечника воды содержится 80-83%, в стеблях - 87-89%, в корнях - 73-75%. Содержание воды, равное 6-11%, характерно главным образом для воздушно-сухих семян, в которых процессы жизнедеятельности заторможены. Вода содержится в живых клетках, в мертвых элементах ксилемы и в межклетниках. В межклетниках вода находится в парообразном состоянии. Основными испаряющими органами растения являются листья. В связи с этим естественно, что наибольшее количество воды заполняет межклетники листьев. В жидком состоянии вода находится в различных частях клетки: клеточной оболочке, вакуоли, цитоплазме. Вакуоли - наиболее богатая водой часть клетки, где содержание ее достигает 98%. При наибольшей оводненности содержание воды в цитоплазме составляет 95%. Наименьшее содержание воды характерно для клеточных оболочек. Количественное определение содержания воды в клеточных оболочках затруднено; по-видимому, оно колеблется от 30 до 50%. Формы воды в разных частях растительной клетки также различны.

3. Какова роль воды в живых организмах?

Ответ. Вода - преобладающий компонент всех живых организмов. Она обладает уникальными свойствами благодаря особенностям строения: молекулы воды имеют форму диполя и между ними образуются водородные связи. Среднее содержание воды в клетках большинства живых организмов составляет около 70%. Вода в клетке присутствует в двух формах: свободной (95% всей воды клетки) и связанной (4-5% связаны с белками) .

Функции воды:

1.Вода как растворитель. Многие химические реакции в клетке являются ионными, поэтому протекают только в водной среде. Вещества, растворяющиеся в воде, называются гидрофильными (спирты, сахара, альдегиды, аминокислоты), не растворяющиеся - гидрофобными (жирные кислоты, целлюлоза).

2.Вода как реагент. Вода участвует во многих химических реакциях: реакциях полимеризации, гидролиза, в процессе фотосинтеза.

3.Транспортная функция. Передвижение по организму вместе с водой растворенных в ней веществ к различным его частям и выведение ненужных продуктов из организма.

4.Вода как термостабилизатор и терморегулятор. Эта функция обусловлена такими свойствами воды, как высокая теплоемкость - смягчает влияние на организм значительных перепадов температуры в окружающей среде; высокая теплопроводность - позволяет организму поддерживать одинаковую температуру во всем его объеме; высокая теплота испарения - используется для охлаждения организма при потоотделении у млекопитающих и транспирации у растений.

5.Структурная функция. Цитоплазма клеток содержит от 60 до 95 % воды, и именно она придает клеткам их нормальную форму. У растений вода поддерживает тургор (упругость эндоплазматической мембраны) , у некоторых животных служит гидростатическим скелетом (медузы)

Вопросы после § 7

1. В чём особенность строения молекулы воды?

Ответ. Уникальные свойства воды определяются структурой её молекулы. Молекула воды состоит из атома О, связанного с двумя атомами Н полярными ковалентными связями. Характерное расположение электронов в молекуле воды придаёт ей электрическую асимметрию. Более электроотрицательный атом кислорода притягивает электроны атомов водорода сильнее, в результате общие пары электронов смещены в молекуле воды в его сторону. Поэтому, хотя молекула воды в целом не заряжена, каждый из двух атомов водорода обладает частично положительным зарядом (обозначаемым 8+), а атом кислорода несёт частично отрицательный заряд (8-). Молекула воды поляризована и является диполем (имеет два полюса).

Частично отрицательный заряд атома кислорода одной молекулы воды притягивается частично положительными атомами водорода других молекул. Таким образом, каждая молекула воды стремится связаться водородной связью с четырьмя соседними молекулами воды.

2. Каково значение воды как растворителя?

Ответ. Благодаря полярности молекул и способности образовывать водородные связи вода легко растворяет ионные соединения (соли, кислоты, основания). Хорошо растворяются в воде и некоторые неионные, но полярные соединения, т. е. в молекуле которых присутствуют заряженные (полярные) группы, например сахара, простые спирты, аминокислоты. Вещества, хорошо растворимые в воде, называются гидрофильными (от греч. hygros – влажный и philia – дружба, склонность). Когда вещество переходит в раствор, его молекулы или ионы могут двигаться более свободно и, следовательно, реакционная способность вещества возрастает. Это объясняет, почему вода является основной средой, в которой протекает большинство химических реакций, а все реакции гидролиза и многочисленные окислительно-восстановительные реакции идут при непосредственном участии воды.

Вещества, плохо или вовсе нерастворимые в воде, называются гидрофобными (от греч. phobos – страх). К ним относятся жиры, нуклеиновые кислоты, некоторые белки и полисахариды. Такие вещества могут образовывать с водой поверхности раздела, на которых протекают многие химические реакции. Следовательно, тот факт, что вода не растворяет неполярные вещества, для живых организмов также очень важен. К числу важных в физиологическом отношении свойств воды относится её способность растворять газы (О2, СО2 и др.).

3. Что такое теплопроводность и теплоёмкость воды?

Ответ. Вода обладает высокой теплоёмкостью, т. е. способностью поглощать тепловую энергию при минимальном повышении собственной температуры. Большая теплоёмкость воды защищает ткани организма от быстрого и сильного повышения температуры. Многие организмы охлаждаются, испаряя воду (транспирация у растений, потоотделение у животных).

4. Почему считают, что вода является идеальной жидкостью для клетки?

Ответ. Высокое содержание воды в клетке - важнейшее условие ее деятельности. При потере большей части воды многие организмы гибнут, а ряд одноклеточных и даже многоклеточных организмов временно утрачивает все признаки жизни. Такое состояние называется анабиозом. После увлажнения клетки пробуждаются и становятся вновь активными.

Молекула воды электронейтральна. Но электрический заряд внутри молекулы распределен неравномерно: в области атомов водорода (точнее, протонов) преобладает положительный заряд, в области, где расположен кислород, выше плотность отрицательного заряда. Следовательно, частица воды - это диполь. Дипольным свойством молекулы воды объясняется способность ее ориентироваться в электрическом поле, присоединяться к различным молекулам и участкам молекул, несущим заряд. В результате этого образуются гидраты. Способностью воды образовывать гидраты обусловлены ее универсальные растворяющие свойства. Если энергия притяжения молекул воды к молекулам какого-либо вещества больше, чем энергия притяжения между молекулами воды, то вещество растворяется. В зависимости от этого различают гидрофильные (греч. hydros - вода и phileo - люблю) вещества, хорошо растворимые в воде (например, соли, щелочи, кислоты др.), и гидрофобные (греч. hydros - вода и phobos - боязнь) вещества, трудно или вовсе не растворимые в воде (жиры, жироподобные вещества, каучук и др.). В состав клеточных мембран входят жироподобные вещества, ограничивающие переход из наружной среды в клетки и обратно, а также из одних частей клетки в другие.

Большинство реакций, протекающих в клетке, могут идти только в водном растворе. Вода - непосредственный участник многих реакций. Например, расщепление белков, углеводов и других веществ происходит в результате катализируемого ферментами взаимодействия их с водой. Такие реакции называются реакциями гидролиза (греч. hydros - вода и lysis - расщепление).

Вода имеет высокую теплоемкость и одновременно относительно высокую для жидкостей теплопроводность. Эти свойства делают воду идеальной жидкостью для поддержания теплового равновесия клетки и организма.

Вода - основная среда для протекания биохимических реакций клетки. Она источник кислорода, выделяемого при фотосинтезе, и водорода, который используется для восстановления продуктов ассимиляции углекислого газа. И наконец, вода - основное средство передвижения веществ в организме (ток крови и лимфы, восходящие и нисходящие токи растворов по сосудам у растений) и в клетке.

5. Какова роль воды в клетке

Обеспечение упругости клетки. Последствия потери клеткой воды увядание листьев, высыхание плодов;

Ускорение химических реакций за счет растворения веществ в воде;

Обеспечение перемещения веществ: поступление большинства веществ в клетку и удаление их из клетки в виде растворов;

Обеспечение растворения многих химических веществ (ряда солей, сахаров);

Участие в ряде химических реакций;

Участие в процессе теплорегуляции благодаря способности к медленному нагреванию и медленному остыванию.

6. Какие структурные и физико-химические свойства воды определяют её биологическую роль в клетке?

Ответ. Структурные физико-химические свойства воды определяют ее биологические функции.

Вода является хорошим растворителем. Благодаря полярности молекул и способности образовывать водородные связи вода легко растворяет ионные соединения (соли, кислоты, основания).

Вода обладает высокой теплоёмкостью, т. е. способностью поглощать тепловую энергию при минимальном повышении собственной температуры. Большая теплоёмкость воды защищает ткани организма от быстрого и сильного повышения температуры. Многие организмы охлаждаются, испаряя воду (транспирация у растений, потоотделение у животных).

Вода обладает также высокой теплопроводностью, обеспечивая равномерное распределение тепла по всему организму. Следовательно, высокая удельная теплоёмкость и высокая теплопроводность делают воду идеальной жидкостью для поддержания теплового равновесия клетки и организма.

Вода практически не сжимается, создавая тургорное давление, определяя объём и упругость клеток и тканей. Так, именно гидростатический скелет поддерживает форму у круглых червей, медуз и других организмов.

Вода характеризуется оптимальным для биологических систем значением силы поверхностного натяжения, которое возникает благодаря образованию водородных связей между молекулами воды и молекулами других веществ. Благодаря силе поверхностного натяжения происходит капиллярный кровоток, восходящий и нисходящий токи растворов в растениях.

В определенных биохимических процессах вода выступает в качестве субстрата.

Жизнедеятельность клеток, тканей и органов растений обусловлена наличием воды. Вода является конституционной веществом. Определяя структуру цитоплазмы клеток и ее органелл, благодаря полярности молекул она является растворителем органических и неорганических соединений, участвующих в обмене веществ, и выступает фоновым средой, в которой происходят все биохимические процессы. Легко проникая через оболочки и мембраны клеток, вода свободно циркулирует по всему растению, обеспечивая перенос веществ и тем способствуя единства метаболических процессов организма. Благодаря высокой прозрачности, вода не препятствует поглощению солнечной энергии хлорофиллом.

Состояние воды в клетках растений

Вода в клетке представлена в нескольких формах, принципиально отличаются. Основными из них являются конституционное, сольватная, капиллярная и резервная вода.

Часть молекул воды, входящих в клетку, образует водородные связи с рядом радикалов молекул органических веществ. Особенно легко водородные связи образуют такие радикалы:

Эту форму воды принято называть конституционной . Она содержится клеткой с силой до 90 тыс. Барр.

Благодаря тому, что молекулы воды является диполями, они образуют с заряженными молекулами органических веществ цельные агрегаты. Такая вода, связанная с молекулами органических веществ цитоплазмы силами электрического притяжения, получила название сольватной . В зависимости от типа растительной клетки на долю сольватной воды приходится от 4 до 50% ее общего количества. Сольватная вода подобно конституционной не имеет подвижности и не является растворителем.

Значительная часть воды клетки является капиллярной , поскольку она размещается в полостях между макромолекулами. Сольватная и капиллярная вода удерживается клеткой с силой, которую называют матричным потенциалом. Он равен 15-150 бар.

Резервной называют воду, находящуюся внутри вакуолей. Содержание вакуолей собой раствор сахаров, солей и ряда других веществ. Поэтому резервная вода удерживается клеткой с силой, которая определяется величиной осмотического потенциала вакуолярного содержания.

Поглощение воды клетками растений

Поскольку для молекул воды в клетках нет активных переносчиков, то ее перемещение в клетки и из клеток, а также между соседними клетками осуществляется только по законам диффузии. Поэтому градиенты концентрации растворенных веществ оказываются основными двигателями для молекул воды.

Растительные клетки в зависимости от их возраста и состояния поглощают воду, используя последовательное включение трех механизмов: имбибиция, сольватации и осмоса.

Имбибиция . При прорастании семян начинает поглощать воду благодаря механизму имбибиция. При этом заполняются вакантные водородные связи органических веществ протопласта, и вода активно поступает из окружающей среды в клетку. По сравнению с другими силами, действующими в клетках, имбибицийни силы колоссальные. Для некоторых водородных связей они достигают величины 90 тыс. Барр. При этом семена могут набухать и прорастать в сравнительно сухих почвах. После заполнения всех вакантных водородных связей имбибиция останавливается и включается следующий механизм поглощения воды.

Сольватация . В процессе сольватации поглощения воды происходит путем построения гидратационных слоев вокруг молекул органических веществ протопласта. Общая обводненность клетки продолжает повышаться. Интенсивность сольватации существенно зависит от химического состава протопласта. Чем больше в клетке гидрофильных веществ, тем полнее используются силы сольватации. Гидрофильность уменьшается в ряду: белки -> углеводы -> жиры. Поэтому наибольшее количество воды на единицу веса путем сольватации поглощает белковое семена (горох, бобы, фасоль), промежуточную - крохмалисте (пшеница, рожь), а наименьшую - масличные (лен, подсолнечник).

Силы сольватации уступают по мощности силам имбибиция, но они все равно довольно значительные и достигают 100 бар. К концу процесса сольватации обводненность клетки настолько велика, что утворюется капиллярная влага, начинают возникать вакуоли. Однако с момента их образования сольватация прекращается, и дальнейшее поглощение воды возможно только за счет осмотического механизма.

Осмос . Осмотическое механизм поглощения воды действует только в клетках, которые имеют вакуоль. Направление движения воды при этом определяется соотношением осмотических потенциалов растворов, входящих в осмотическую систему.

Осмотическое потенциал клеточного сока, обозначается через Р, определяется по формуле:

Р = iRcT,

где Р - осмотическое потенциал клеточного сока

R - газовая постоянная, равная 0,0821;

Т - температура по шкале Кельвина;

i - изотонический коэффициент, указывающий на характер электролитической диссоциации растворенных веществ.

Изотонический коэффициент сам по себе равна

и = 1 + α (n + 1),

где α - степень электролитической диссоциации;

п - количество ионов, на которые диссоциирует молекула. Для неелектролитов п = 1.

Осмотическое потенциал почвенного раствора обычно обозначают греческой буквой π.

Молекулы воды всегда перемещаются из среды с меньшим осмотическим потенциалом в среду с большим осмотическим потенциалом. Итак, если клетка находится в почвенном (внешнем) растворе при Р> π, то вода поступает в клетки. Поступление воды в клетку прекращается при полном выравнивании осмотических потенциалов (вакуолярной сок входе поглощения воды разбавляется) или при достижения клеточной оболочкой пределы растяжимости.

Таким образом, клетки получают воду из окружающей среды только при одном условии: осмотическое потенциал клеточного сока должен быть выше, чем осмотическое потенциал окружающего раствора.

В случае если Р < π, имеет место отток воды из клетки во внешней раствор. В ходе водоотдачей объем протопласта постепенно зменьшуется, он отходит от оболочки, и в клетке возникают небольшие полости. Такое состояние называют Плазмолиз . Этапы плазмолизу показаны на рис. 3.18.

В случае если соотношение осмотических потенциалов соответствует условию Р = π, диффузии молекул воды вообще не происходит.

Большой фактический материал свидетельствует, что осмотическое потенциал клеточного сока растений колеблется в довольно широких пределах. В сельскохозяйственных растений в клетках корней он обычно лежит в амплитуде 5-10 бар, в клетках листьев может подниматься до 40 бар, а в клетках плодов - до 50 бар. У растений солончаков осмотическое потенциал клеточного сока достигает 100 бар.

Рис. 3.18.

А - клетка в состоянии тургора; Б - угловой; В - вогнутый; Г - выпуклый; Д - судорожный; Е - колпачковый. 1 - оболочка; 2 - вакуоль; 3 - цитоплазма; 4 - ядро; 5 - нити Гехта

1.3 Распределение воды в клетке

Вода содержится в живых клетках, в мертвых элементах ксилемы и в межклетниках. В межклетниках вода находится в парообразном состоянии. Основными испаряющими органами растения являются листья. В связи с этим естественно, что наибольшее количество воды заполняет межклетники листьев. В жидком состоянии вода находится в различных частях клетки: клеточной оболочке, вакуоли, протоплазме. Вакуоли -- наиболее богатая водой часть клетки, где содержание ее достигает 98%. При наибольшей оводненности содержание воды в протоплазме составляет 95%. Наименьшее содержание воды характерно для клеточных оболочек. Количественное определение содержания воды в клеточных оболочках затруднено; по-видимому, оно колеблется от 30 до 50%.

Формы воды в разных частях растительной клетки также различны. В вакуолярном клеточном соке преобладает вода, удерживаемая сравнительно низкомолекулярными соединениями (осмотически-связанная) и свободная вода. В оболочке растительной клетки вода связана главным образом высокополимерными соединениями (целлюлозой, гемицеллюлозой, пектиновыми веществами), т. е. коллоидно-связанная вода. В самой цитоплазме имеется вода свободная, коллоидно- и осмотически-связанная. Вода, находящаяся на расстоянии до 1 нм от поверхности белковой молекулы, связана прочно и не имеет правильной гексагональной структуры (коллоидно-связанная вода). Кроме того, в протоплазме имеется определенное количество ионов, а следовательно, часть воды осмотически связана.

Физиологическое значение свободной и связанной воды различно. Большинство исследователей полагает, что интенсивность физиологических процессов, в том числе и темпов роста, зависит в первую очередь от содержания свободной воды. Имеется прямая корреляция между содержанием связанной воды и устойчивостью растений против неблагоприятных внешних условий. Указанные физиологические корреляции наблюдаются не всегда.

Аппарат Гольджи

Лизосомы - это маленькие, окруженные одинарной мембраной пузырьки. Они отпочковываются от аппарата Гольджи и, возможно, от эндоплазматического ретикулума. Лизосомы содержат разнообразные ферменты, которые расщепляют крупные молекулы...

Здоровье школьников: проблемы и пути решения

При занятии подростка спортом нельзя допускать перетренировки. Об утомлении после большой физической нагрузки свидетельствуют вялость, боль в мышцах. Родители должны контролировать время занятий спортом...

Информационная система клетки

Генетическая информация закодирована в ДНК. Генетический код был выяснен М. Ниренбергом и Х.Г. Корана, за что они были удостоены Нобелевской премии в 1968 году. Генетический код - система расположения нуклеотидов в молекулах нуклеиновых кислот...

Кодирование и реализация биологической информации в клетке, генетический код и его свойства

Посредником в передаче генетической информации (порядок нуклеотидов) от ДНК к белку выступает иРНК (информационная РНК)...

Мейобентос зарослей макрофитов прибрежной зоны Новороссийской бухты

Работ, описывающих закономерности пространственного размещения мейобентосных организмов, достаточно много - в последние десятилетия это одно из самых популярных направлений в исследованиях...

Мембранный потенциал

В 1890 году Вильгельм Оствальд, занимавшийся полупроницаемыми искусственными пленками предположил, что полупроницаемость может быть причиной не только осмоса, но и электрических явлений. Осмос возникает тогда...

Микробиология рыбы и рыбных продуктов

Микробиологическая оценка воды дается на основании определения микробного числа КМАФАнМ; коли - титра; коли - индекса; присутствия патогенных микроорганизмов. Первые два анализа проводятся постоянно...

Молекулярно-генетический уровень живых структур

То, что гены расположены в хромосомах, казалось бы, не соответствует тому факту, что у людей только 23 пары хромосом и вместе с тем тысячи различных признаков, которым должны соответствовать тысячи различных генов. Одних только признаков...

Мухи-сфероцериды (Diptera, Sphaeroceridae) природного заказника "Камышанова поляна"

На территории заказника «Камышанова Поляна» чётко выделяются следующие виды биотопов: лесные, луговые, различные околоводные, а также опушечные формации...

Объекты биотехнологии в пищевой промышленности

Обмен веществ, или метаболизм, -- лежащий в основе жизни закономерный порядок превращения веществ и энергии в живых системах, направленный на их сохранение и самовоспроизведение; совокупность всех химических реакций, протекающих в организме...

Понятие клетки

XVII век 1665 год -- английский физик Р. Гук в работе «Микрография» описывает строение пробки, на тонких срезах которой он нашёл правильно расположенные пустоты. Эти пустоты Гук назвал «порами, или клетками»...

Роль митохондрий в апоптозе

Физиология клеточного возбуждения

· Формирование клеточного возбуждения обусловлено именно транспортом ионов. Билипидный слой клеточной мембраны непроницаем для ионов (Na, K, Cl), для их транспорта в клетку и из клетки предназначены ионные каналы - специальные интегральные белки...

Химический состав клетки

Все живые организмы способны к обмену веществ с окружающей средой. В клетках непрерывно идут процессы биологического синтеза, или биосинтеза...

Вода – самое распространенное соединение на Земле и в живых организмах. Содержание воды в клетках зависит от характера обменных процессов: чем они интенсивнее, тем выше содержание воды.

В среднем в клетках взрослого человека содержится 60-70% воды. При потере 20% воды организмы гибнут. Без воды человек может прожить не более 7 дней, тогда как без пищи не более 40 дней.

Рис. 4.1. Пространственная структура молекулы воды (Н 2 О) и образование водородной связи

Молекула воды (Н 2 О) состоит из двух атомов водорода, которые ковалентно связаны с атомам кислорода. Молекула полярная, потому что она изогнута под углом и ядро атома кислорода оттягивает обобществленные электроны к этому углу, так что кислород приобретает частичный отрицательный заряд, а находящиеся на открытых концах атомы водорода – частично положительные заряды. Молекулы воды способны притягиваться одна к другой положительным и отрицательным зарядом, образуя водородную связь (рис.4.1.).

Благодаря уникальной структуре молекул воды и их способности связываться друг с другом при помощи водородных связей вода обладает рядом свойств определяющих ее важную роль в клетке и организме.

Водородные связи обуславливают относительно высокие температуры кипения и испарения, высокую теплоемкость и теплопроводность воды, свойство универсального растворителя.

Водородные связи слабее ковалентных в 15-20 раз. В жидком состоянии водородные связи то образуются то разрываются, что обуславливает движение молекул воды, ее текучесть.

Биологическая роль Н 2 О

Вода определяет физические свойства клетки – ее объем, упругость (тургор). В клетке содержится 95-96 % свободной воды и 4-5% связанной. Связанная вода образует водные (сольватные) оболочки вокруг определенных соединений (например, белков), препятствуя их взаимодействию между собой.

Свободная вода является хорошим растворителем для многих неорганических и органических полярных веществ. Вещества хорошо растворимые в воде называются гидрофильными . Например, спирты, кислоты, газы, большинство солей Натрия, Калия и др. Для гидрофильных веществ энергия связи между их атомами меньше, чем энергия притяжения этих атомов к молекулам воды. Поэтому их молекулы или ионы легко встраиваются в общую систему водородных связей воды.

Вода как универсальный растворитель играет чрезвычайно важную роль, поскольку большинство химических реакций происходит в водных растворах. Проникновение веществ в клетку и выведение из нее продуктов жизнедеятельности в большинстве случаев возможно только в растворенном виде.

Неполярные (не несущие заряда) вещества вода не растворяет, поскольку не может образовать с ними водородные связи. Нерастворимые в воде вещества называются гидрофобными . К ним относятся жиры, жироподобные вещества, полисахариды, каучук.

Некоторые органические молекулы имеют двойные свойства: на одних участках их расположены полярные группы, а на других – неполярные. Такие вещества называют амфипатическими, или амфифильними . К ним относятся белки, жирные кислоты, фосфолипиды, нуклеиновые кислоты. Амфифильные соединения играют важную роль в организации биологических мембран, комплексных надмолекулярных структур.

Вода принимает непосредственное участие в реакциях гидролиза – расщепления органических соединений. При этом под действием специальных ферментов к свободным валентностям органических молекул присоединяются ионы ОН - и Н + воды. В результате образуют новые вещества с новыми свойствами.

Вода обладает большой теплоемкостью (т.е. способностью поглощать тепло при незначительных изменениях собственной температуры) и хорошей теплопроводностью. Благодаря этим свойствам температура внутри клетки (и организма) поддерживается на определенном уровне при значительных перепадах температуры окружающей среды.

Важное биологическое значение для функционирования растений, холоднокровных животных имеет то, что под влиянием растворенных веществ (углеводов, глицерина) вода может изменять свои свойства, в частности температуру замерзания и кипения.

Свойства воды настолько важны для живых организмов, что нельзя представить существование жизни, в том виде как мы ее знаем, не только на Земле, но и на любой другой планете без достаточного запаса воды.

МИНЕРАЛЬНЫЕ СОЛИ

Могут пребывать в растворенном или нерастворенном состоянии. Молекулы минеральных солей в водном растворе распадаются на катионы и анионы.

Урок рассчитан на 80–90 мин. Тема урока позволяет продемонстрировать ученикам взаимосвязь таких предметов, как биология, география, химия, физика. В скобках приведены варианты ответов на вопросы, которые мне хотелось бы получить от учащихся.

Цели: ознакомление учащихся с данными о содержании воды в клетках различных тканей и водном обмене у разных организмов, с современными представлениями о структуре и свойствах воды, ее биологическими функциями; совершенствование навыков логического мышления.

Оборудование: физическая карта Земли, пробирки, стаканы, капиллярные трубки; поваренная соль, этиловый спирт, сахароза, растительное масло, парафин, яичный белок, желудочный сок, лед; справочники по физике и химии.

Организационный момент

Учитель сообщает учащимся тему и цели урока и порядок его проведения.

Проверка знаний учащихся по теме «Элементный и химический (молекулярный) состав клетки». Трое учащихся работают у доски, остальные (по вариантам) работают по карточкам.

Работа у доски

1. На доске написан перечень элементов: F, Zn, N, Ca, J, Cl, Na, H, Mn, Cu, P, C, K, Fe, O, Mg, Co, из которых нужно выбрать органогенные (биогенные), макроэлементы, микроэлементы. Указать процентное содержание их в клетке.

(Ответ учащихся: а) органогенные: N, H, C, O; б) макроэлементы: Са, Сl, Na, Mn, P, K, Fe, Mg; в) микроэлементы: F, Zn, J, Cu, Co).

2. Дать характеристику органогенных элементов. Объяснить, почему в ходе развития жизни на Земле эти элементы оказались «удобными» для химии жизни.

3. Записать на доске сведения о химическом (молекулярном) составе клетки с указанием процентного содержания основных классов веществ.

Работа по карточкам

Письменно ответьте на вопрос.

Вариант 1. Как влияет недостаток какого-либо из необходимых элементов (органогенного, макроэлемента, микроэлемента) на жизнедеятельность клетки, организма? В чем это может проявиться? Приведите примеры.

Вариант 2. Какой вывод можно сделать из того, что клетки имеют сходный элементный и химический (молекулярный) состав?

Вариант 3. Какое научное значение имеют данные о сходстве и различиях элементного состава (качественного и количественного) живой и неживой природы?

Изучение нового материала

Содержание воды в клетках и организмах

1. Прочтите стихотворные строки Михаила Дудника и скажите, верны ли они с биологической точки зрения. (Стихотворение записано на доске.)

Говорят, что из восьмидесяти процентов воды состоит человек,
Из воды, добавлю, родных его рек,
Из воды, добавлю, – дождей, что его напоили,
Из воды, добавлю, из древней воды, родников.
Из которых его деды и прадеды пили...

(Ответ учащихся . Стихотворные строки верны, т.к. более чем на 2/3 человек состоит из воды.)

2. Глядя на физическую карту, вспомните, каково соотношение площадей суши и Мирового океана на нашей планете.

(Ответ учащихся . Мировой океан, т.е. вода, окружающая материки и острова, занимает около 71% земной поверхности.)

Комментарий учителя . Вода не только покрывает большую часть земной поверхности, но и составляет большую часть всех живых существ: микроорганизмов, растений, животных, человека.

3. Велико ли значение воды в жизни человека?

(Ответ учащихся . Человек пьет воду, моется ею, использует в различных производствах, в сельском хозяйстве. Сейчас многие страны мира испытывают недостаток пресной воды, для ее получения приходится строить специальные заводы, очистные сооружения.)

Комментарий учителя . Вода, такое привычное вещество, обладает совершенно удивительными свойствами. Только благодаря этим свойствам воды стала возможна жизнь на Земле. При поиске жизни на других планетах один из важнейших вопросов – есть ли там достаточное количество воды. Уникальное значение воды для биологических систем обусловлено даже просто количественным содержанием ее в живых организмах.

4. Приведите примеры содержания воды в клетках разных организмов, их тканях и органах, известные вам из курсов ботаники, зоологии, анатомии и физиологии человека.

(Ответ учащихся . Вода составляет 80% массы клетки в молодом организме человека или животного и 60% – в клетках старого. В клетках головного мозга ее 85%, а в клетках развивающегося зародыша – 90%. Если человек теряет 20% воды, то наступает смерть. Правда, не во всех клетках человека содержание воды столь велико. Скажем, в клетках эмали зубов ее только 10–15%. Много воды в клетках мякоти сочных плодов и листьях растений, но ее очень мало в клетках сухих семян или спорах растений и микроорганизмов, поэтому они могут храниться очень долго, пока опять не обводнятся в условиях, способствующих их прорастанию.)

5. Чем определяются различия в содержании воды в клетках?

(Ответ учащихся . Воды больше в тех клетках, в которых обмен веществ протекает более интенсивно.)

Поступление воды в организмы животных и растений

Какие вы знаете способы получения воды разными организмами?

(Ответ учащихся . Пути поступления воды в организм очень разнообразны:

а) через поверхность тела – у одноклеточных организмов, низших растений, личинок некоторых насекомых, лягушек, рыб и других водных организмов;
б) с пищей и питьем – у большинства животных;
в) есть животные, которые почти не пьют или пьют крайне мало. Это оказывается возможным за счет: метаболической воды, т.е. воды, образующейся в организме при окислении, главным образом, жиров (при окислении 1 г жира образуется 1,1 г воды); экономного расходования воды, которое у одних обеспечивается наличием водонепроницаемых покровов, у других – высокой концентрацией мочи (так, например, у верблюдов моча в 8 раз концентрированнее плазмы); запасов воды (например, у личинок);
г) растения поглощают воду из почвы с помощью корневых волосков;
д) необычные способы получения воды имеют: эпифиты – растения, поселяющиеся, главным образом на стволах, ветвях других деревьев – поглощают воду из воздуха; многие зонтичные растения задерживают влагу в чашевидных влагалищах листьев, откуда она постепенно всасывается через эпидермис.

Строение молекулы и свойства воды

Многочисленные биологические функции, выполняемые водой, обеспечиваются ее уникальными свойствами, а уникальность свойств воды определяется структурой ее молекулы.

1. Вспомните известные вам из курса химии особенности строения молекулы воды.

(Ответ учащихся . В молекуле воды (эмпирическая формула H 2 O) один атом кислорода ковалентно связан с двумя водородными атомами. Молекула имеет форму треугольника, в одной из вершин которого находится атом кислорода, а в двух других – по атому водорода.)

2. Каков характер ковалентной связи между атомом кислорода и атомами водорода?

(Ответ учащихся . Связь между атомом кислорода и атомами водорода полярная, т.к. кислород притягивает электроны сильнее, чем водород.)

Комментарий учителя . Действительно, атом кислорода в силу своей большей электроотрицательности притягивает электроны сильнее, чем атомы водорода. Следствием этого является полярность молекулы воды. В целом молекула воды электронейтральна, но электрический заряд внутри молекулы распределяется неравномерно, и в области атомов водорода преобладает положительный заряд, а в области, где расположен кислород, – отрицательный заряд (рис. 1). Поэтому такая молекула является электрическим диполем.

Рис. 1. Молекула воды, в которой один атом кислорода ковалентно связан с двумя атотмами водорода. Молекула полярна

Отрицательно заряженный атом кислорода одной молекулы воды притягивает положительно заряженные атомы водорода двух других молекул, поэтому молекулы воды оказываются связанными друг с другом водородными связями. С понятием водородной связи вы уже знакомы (рис. 2).

Рис. 2. Водородные связи (линии) между молекулами воды; атомы кислорода (белые кружки) несут частичные отрицательные заряды, поэтому они образуют водородные связи с атомами водорода (черные кружки) других молекул, несущими частичные положительные заряды

В жидкой воде эти слабые связи быстро образуются и так же быстро разрушаются при беспорядочных столкновениях молекул. Именно благодаря способности молекул воды связываться друг с другом при помощи водородных связей, вода обладает рядом свойств, имеющих важное значение для жизни.

Задания группам учащихся

Класс делится на пять групп, каждая из которых, используя заранее приготовленное оборудование, работает по инструктивной карточке, содержащей задание.

Задание 1-й группе

Вам предложен ряд веществ: поваренная соль, этиловый спирт, сахароза, растительное масло, парафин. Попытайтесь последовательно растворить эти вещества в воде. Какие из предложенных веществ растворяются в воде, а какие нет? Попытайтесь объяснить, почему одни вещества в воде растворяться могут, а другие не могут. С каким свойством воды вы при этом познакомились?

Задание 2-й группе

В пробирку с белыми хлопьями нерастворимого яичного белка, нагретую на водяной бане до 37 °С, добавьте желудочный сок. Что вы наблюдаете? Какая реакция произошла и благодаря какому ферменту желудочного сока? С каким свойством воды вы познакомились?

Задание 3-й группе

Опустите кусочки льда в стакан с водой. Что вы наблюдаете? Что вы можете сказать о плотности воды и льда? Конкретные сведения о плотности воды и льда можно получить из «Справочника по элементарной физике» (Енохович). С какими особенностями воды вы познакомились?

Задание 4-й группе

Вам известно, что вода закипает и переходит в парообразное состояние при температуре 100 °С. Используя «Справочник по элементарной физике», сравните температуру кипения воды с температурой кипения других жидкостей. Попытайтесь объяснить полученные результаты.

Задание 5-й группе

Попытайтесь налить воду в стакан «с верхом». Почему это возможно? В стакан с водой медленно опустите стеклянную трубку малого диаметра. Что вы наблюдаете? Объясните результаты опыта. С каким свойством воды вы познакомились?

Отчет 1-й группы

В воде из предложенных веществ растворяются: поваренная соль, этиловый спирт, сахароза (тростниковый сахар). Не растворяются: растительное масло и парафин. Из полученных результатов можно сделать вывод, что вещества с ионной химической связью (поваренная соль), а также неионные соединения (сахара, спирты), в молекулах которых, наверное, присутствуют заряженные (полярные) группы, в воде растворяются. Вода является одним из наиболее универсальных растворителей: практически все вещества растворяются в ней, хотя бы в следовых количествах.

Комментарий учителя . Если энергия притяжения между молекулами воды и молекулами какого-либо вещества больше, чем энергия притяжения между молекулами воды, то вещество растворяется. Растворимые в воде вещества называются гидрофильными (соли, щелочи, кислоты и др.). Неполярные (не несущие заряда) соединения в воде практически не растворяются. Их называют гидрофобными (жиры, жироподобные вещества, каучук и др.).

Отчет 2-й группы

Нерастворимые хлопья яичного белка под действием пепсина желудочного сока растворяются. Имеет место реакция ферментативного гидролиза (расщепления) белков на аминокислоты с присоединением молекулы воды при разрыве каждой пептидной связи. Подобные реакции протекают в желудочно-кишечном тракте человека и животных:

Таким образом, вода может вступать в химические реакции, т.е. является реагентом.