Главная » Достоевский Ф.М. » Распределение воды в клетке и в организме. Водный баланс растений

Распределение воды в клетке и в организме. Водный баланс растений

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.

Вода — это самая распространенная химическое соединение на Земле, ее масса крупнейшая в живом организме. Подсчитано, что вода составляет 85 % от общей массы середньостатис -тической клетки. Тогда как в клетках человека вода в среднем составляет около 64%. Однако содержание воды в разных клетках может существенно колебаться: от 10 % в клетках эмали зубов до 90 % в клетках зародыша млекопитающих. Причем молодые клетки содержат воды больше, чем старые. Так, в клетках младенца вода составляет 86 %, в клетках старого человека лишь 50 %.

B особей мужского пола содержание воды в клетках в среднем 63 %, женского — немного менее 52 %. Чем это вызвано? Оказывается, все просто. В женском теле много жировой ткани, в клетках которой мало воды. Поэтому содержание воды в женском организме примерно на 6-10 % ниже, чем в мужском.

Уникальные свойства воды обусловлены структурой ее молекулы. Из курса химии вам известно, что различная электроотрицательность атомов водорода и кислорода является причиной возникновения ковалентной полярной связи в молекуле воды. Молекула воды имеет форму треугольника (87), в котором электрические заряды расположены несимметрично, и является диполем (вспомните определение этого термина).

За счет электростатического притяжения атома водорода одной молекулы воды к атому кислорода другой молекулы между молекулами воды возникают водородные связи.

Рассмотрены особенности структуры и физико — химические свойства воды (способность воды быть универсальным растворителем, переменная плотность, высокая теплоемкость, большое поверхностное натяжение, текучесть, капиллярность и др.), обусловливающие ее биологическое значение.

Какие функции выполняет вода в организм Вода — это растворитель. Полярная строение молекулы воды объясняет ее свойства как растворителя. Молекулы воды вступают во взаимодействие с химическими веществами, элементы которых имеют электростатические связи, и раскладывают их на анионы и катионы, что приводит протекание химических реакций. Как известно, многие химические реакции происходит только в водном растворе. При этом сама вода остается инертной, поэтому может использоваться в организме неоднократно. Вода служит средой для транспортировки различных веществ внутри организма. Кроме того, конечные продукты обмена веществ выводятся из организма преимущественно в растворенном виде.

В живых существах существует два главных типа растворов. (Вспомните классификацию растворов.)

Так называемый истинный раствор, когда молекулы растворителя совпадают по размерам с молекулами растворимого вещества, они растворяют. В результате происходит диссоциация и образуются ионы. В этом случае раствор является гомогенным и, выражаясь научным языком, состоит из одной — жидкой фазы. Типичными примерами служат растворы минеральных солей, кислот или щелочей. Поскольку в таких растворах является заряженные частицы, то они способны проводить электрический ток и являются электролитами, как и все растворы, встречающиеся в организме, в том числе кровь позвоночных животных, где содержится много минеральных солей.

Коллоидный раствор — это тот случай, когда молекулы растворителя значительно меньшие по размерам молекул растворенного вещества. В таких растворах частицы вещества, которые называются коллоидными, свободно движутся в толще воды, так как сила их притяжения не превышает силу их связей с молекулами растворителя. Такой раствор считается гетерогенным, то есть состоящим из двух фаз — жидкой и твердой. Все биологические жидкости являются смесями, в состав которых входят истинные и коллоидные растворы, поскольку в них содержатся как минеральные соли, так и огромные молекулы (например белков), которые обладают свойствами коллоидных частиц. Поэтому цитоплазма любой клетки, кровь или лимфа животных, молоко млекопитающих одновременно содержат ионы и коллоидные частицы.

Как вы наверняка помните, биологические системы подчиняются всем законам физики и химии, поэтому в биологических растворах наблюдаются физические явления, которые играют значительную роль в жизнедеятельности организмов.

Свойства воды

Диффузия (от лат. Дифузио — распространение, растекание, рассеивание) в биологических растворах проявляет себя как тенденция к выравниванию концентрации структурных частиц растворенных веществ (ионов и коллоидных частиц), что в конечном итоге приводит к равномерному распределению вещества в растворе. Именно благодаря диффузии происходит питание многих одноклеточных существ, транспортировки кислорода и питательных веществ по телу животных при отсутствии в них кровеносной и дыхательной систем (вспомните, что это за животные). Кроме того, транспортировка многих веществ к клеткам осуществляется именно благодаря диффузии.

Еще одно физическое явление — осмос (от греч. Осмос — толчок, давление) — перемещение растворителя через полупроницаемую мембрану. Осмос вызывает перемещение воды из раствора, имеющего низкую концентрацию растворенных веществ и высокое содержание Н20 в растворе с высокой концентрацией растворенных веществ и низким содержанием воды. В биологических системах это ничто иное, как транспортировка воды на уровне клетки. Именно поэтому осмос играет значительную роль во многих биологических процессах. Сила осмоса обеспечивает движение воды в растительном и животном организмах, благодаря чему их клетки получают питательные вещества и поддерживают постоянную форму. При этом следует отметить, что чем больше разница в концентрации вещества, тем больше осмотическое давление. Поэтому если клетки поместить в гипотонический раствор, они за счет резкого поступления воды набухнут и разорвутся.

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.

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.

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.

Растительная клетка поглощает воду по законам осмоса. Осмос наблюдается при наличии двух систем с различной концентрацией веществ, когда они сообщаются с помощью полупроницаемой мембраны. В этом случае по законам термодинамики выравнивание концентраций происходит за счет вещества, для которого мембрана проницаема.

При рассмотрении двух систем с различной концентрацией осмотически активных веществ следует, что выравнивание концентраций в системе 1 и 2 возможно только за счет перемещение воды. В системе 1 концентрация воды выше, поэтому поток воды направлен от системы 1 к системе 2. По достижении равновесия реальный поток будет равен нулю.

Растительную клетку можно рассматривать как осмотическую систему. Клеточная стенка, окружающая клетку, обладает определенной эластичностью и может растягиваться. В вакуоли накапливаются растворимые в воде вещества (сахара, органические кислоты, соли), которые обладают осмотической активностью. Тонопласт и плазмалемма выполняют в данной системе функцию полупроницаемой мембраны, поскольку эти структуры избирательно проницаемы, и вода проходит через них значительно легче, чем вещества, растворенные в клеточном соке и цитоплазме. В связи с этим, если клетка попадает в окружающую среду, где концентрация осмотически активных веществ будет меньше по сравнению с концентрацией внутри клетки (или клетка помещена в воду), вода по законам осмоса должна поступать внутрь клетки.

Возможность молекул воды перемещаться из одного места в другое измеряется водным потенциалом (Ψв). По законам термодинамики вода всегда движется из области с более высоким водным потенциалом в область с более низким потенциалом.

Водный потенциал (Ψ в) – показатель термодинамического состояния воды. Молекулы воды обладают кинетической энергией, в жидкости и водяном паре они беспорядочно движутся. Водный потенциал больше в той системе, где выше концентрация молекул и больше их общая кинетическая энергия. Максимальным водным потенциалом обладает чистая (дистиллированная) вода. Водный потенциал такой системы условно принят за нуль.

Единицей измерения водного потенциала являются единицы давления: атмосферы, паскали, бары:

1 Па = 1 Н/м 2 (Н- ньютон) ; 1 бар=0,987 атм =10 5 Па=100 кПА;

1 атм =1,0132 бар; 1000 кПа = 1 МПа

При растворении в воде другого вещества, понижается концентрация воды, уменьшается кинетическая энергия молекул воды, снижается водный потенциал. Во всех растворах водный потенциал ниже, чем у чистый воды, т.е. в стандартных условиях он выражается отрицательной величиной. Количественно это понижение выражают величиной, которая называется осмотическим потенциалом (Ψ осм.). Осмотический потенциал – это мера снижения водного потенциала за счет присутствия растворенных веществ. Чем больше в растворе молекул растворенного вещества, тем осмотический потенциал ниже.

При поступлении воды в клетку ее размеры увеличиваются, внутри клетки повышается гидростатическое давление, которое заставляет плазмалемму прижиматься к клеточной стенке. Клеточная оболочка, в свою очередь, оказывает противодавление, которое характеризуется потенциалом давления (Ψ давл.) или гидростатическим потенциалом, он обычно положителен и тем больше, чем больше воды в клетке.

Таким образом, водный потенциал клетки зависит от концентрации осмотически действующих веществ – осмотического потенциала (Ψ осм.) и от потенциала давления (Ψ давл.).

При условии, когда вода не давит на клеточную оболочку (состояние плазмолиза или увядания), противодавление клеточной оболочки равно нулю, водный потенциал равен осмотическому:

Ψ в. = Ψ осм.

По мере поступления воды в клетку появляется противодавление клеточной оболочки, водный потенциал будет равен разности между осмотическим потенциалом и потенциалом давления:

Ψ в. = Ψ осм. + Ψ давл.

Разница между осмотическим потенциалом клеточного сока и противодавлением клеточной оболочки определяет поступление воды в каждый данный момент.

При условии, когда клеточная оболочка растягивается до предела, осмотический потенциал целиком уравновешивается противодавлением клеточной оболочки, водный потенциал становиться равным нулю, вода в клетку перестает поступать:

- Ψ осм. = Ψ давл. , Ψ в. = 0

Вода всегда поступает в сторону более отрицательного водного потенциала: от той системы, где энергия больше, к той системе, где энергия меньше.

Вода в клетку может поступать также за счет сил набухания. Белки и другие вещества, входящие в состав клетки, имея положительно и отрицательно заряженные группы, притягивают диполи воды. К набуханию способны клеточная стенка, имеющая в своем составе гемицеллюлозы и пектиновые вещества, цитоплазма, в которой высокомолекулярные полярные соединения составляют около 80% сухой массы. Вода проникает в набухающую структуру путем диффузии, движение воды идет по градиенту концентрации. Силу набухания обозначают термином матричный потенциал (Ψ матр.). Он зависит от наличия высокомолекулярных компонентов клетки. Матричный потенциал всегда отрицательный. Большое значение Ψ матр. имеет при поглощении воды структурами, в которых отсутствуют вакуоли (семенами, клетками меристем).