Вода, її властивості та функції у складі біологічних систем. Інші неорганічні сполуки
- 27-09-2021, 15:11
- 1 120
9 Клас , Біологія 9 клас Остапченко, Балан, Поліщук
§ 2. Вода, її властивості та функції у складі біологічних систем. Інші неорганічні сполуки
Пригадайте, що спільного між живою та неживою природою. Який хімічний зв’язок називають ковалентним?
Ви вже знаєте, що науку, яка вивчає хімічний склад живих організмів, будову, властивості та роль виявлених у них сполук, шляхи їхнього виникнення та перетворення, називають біологічною хімією, або біохімією. Одне з головних завдань біохімії - з’ясування механізмів регуляції життєдіяльності клітин та організму в цілому, які забезпечують єдність процесів обміну речовин і перетворення енергії в організмі.
Серед усіх хімічних сполук виняткова роль у забезпеченні процесів життєдіяльності організмів належить воді. Вода утворює основу внутрішнього середовища організмів. У водному середовищі відбуваються процеси обміну речовин і перетворення енергії. Вода бере безпосередню участь у реакціях розщеплення органічних сполук. Уміст води в організмах становить 60-70 %, а в деяких випадках до 98 % (як-от, у медуз). Цитоплазма більшості клітин містить приблизно 80 % води.
Структура, властивості та функції води. Воді притаманні унікальні хімічні й фізичні властивості. Вам відомо, що молекула води (Н2О) складається з двох атомів Гідрогену, сполучених з атомом Оксигену ковалентними зв’язками (мал. 6, 1). На полюсах молекули води є позитивний і негативний заряди, тобто вона полярна. Завдяки цьому дві сусідні молекули води зазвичай взаємно притягуються за рахунок сил електростатичної взаємодії між негативним зарядом атома Оксигену однієї молекули та позитивним зарядом атома Гідрогену іншої. При цьому виникає водневий зв’язок (мал. 6, 2), який у 15-20 разів слабший за ковалентний. Коли вода перебуває в рідкому стані, її молекули безперервно рухаються, і водневі зв’язки постійно то розриваються, то виникають знову. Докладніше про водневий зв’язок ви незабаром дізнаєтеся на уроках хімії.
Мал. 6. 1. Молекула води складається з атома Оксигену та двох атомів Гідрогену (масштабна модель). 2. Схема утворення водневих зв’язків між молекулами води (позначені крапками)
Цікаво знати
Утворення кристаликів льоду в клітинах організмів руйнує клітинні структури. Це призводить до загибелі клітин і всього організму. Саме тому ссавців і людину неможливо заморозити, а потім - розморозити без утрати здатності відновити процеси життєдіяльності.
Цікаво знати
Вода під впливом розчинених у ній речовин може змінювати свої властивості, зокрема точку температури замерзання і кипіння, що має важливе біологічне значення. Наприклад, у клітинах рослин з настанням зими підвищується концентрація розчинів вуглеводів, членистоногих - гліцерину, риб - білків тощо. Це знижує температуру, за якої вода переходить у твердий стан, що запобігає промерзанню. Уявіть: серед комах відомі мухи-льодовичники (мал. 7), здатні зберігати активність на сніговому покриві (вони мешкають і в Україні).
Частина молекул води формує водну оболонку навколо деяких сполук (наприклад, білків), запобігаючи їхній взаємодії. Таку воду називають зв’язаною, або структурованою (4-5 % загальної кількості води в організмах). Решта 95-96 % води має назву вільної: вона не пов’язана з іншими сполуками.
Залежно від температури середовища вода здатна змінювати свій стан. За зниження температури вода з рідкого стану може переходити у твердий, а за підвищення - у газуватий.
Молекулам води притаманна здатність до іонізації, коли вони розщеплюються на йони Гідрогену та гідроксид-іону. При цьому між молекулами води та йонами встановлюється динамічна рівновага:
Н2O ⇄ H+ + OH-
Вода визначає фізичні властивості клітин - їхній об’єм і внутрішньоклітинний тиск (тургор). Порівняно з іншими рідинами, у неї відносно високі температури кипіння, плавлення та випаровування, що зумовлене взаємодією між сусідніми молекулами води.
Вода - універсальний розчинник. Тому всі речовини поділяють на такі, що добре розчиняються у воді (гідрофільні, або полярні), та нерозчинні (гідрофобні, або неполярні). До гідрофільних сполук належить багато кристалічних солей, наприклад кухонна сіль (NaCl), а також глюкоза, фруктоза тощо. Вони часто містять полярні (частково заряджені) групи, здатні взаємодіяти з молекулами води. Гідрофобні речовини (майже всі ліпіди, деякі білки) містять неполярні групи, які не взаємодіють з молекулами води (-СН2, -СН2СН3). Такі сполуки розчиняються переважно в неполярних розчинниках (хлороформ, бензол).
Проникнення речовин у клітину та виведення з неї продуктів життєдіяльності можливе здебільшого в розчиненому стані.
Вода також бере участь у транспорті різних сполук в організмах. Розчини органічних і неорганічних речовин рослини транспортують по провідних тканинах або міжклітинниках. У тварин таку функцію виконують кров, лімфа, тканинна рідина тощо.
Вода бере участь у складних біохімічних перетвореннях. Наприклад, за участі води розщеплюються органічні сполуки з приєднанням до місць розривів йонів Н+ та ОН . Перебіг багатьох біологічних процесів можливий саме завдяки утворенню й руйнуванню водневих зв’язків.
З водою пов’язана здатність організмів регулювати свій тепловий режим. Їй властива висока теплоємність, тобто здатність поглинати тепло за незначних змін власної температури. Завдяки цьому вода запобігає різким змінам температури у клітинах та організмі в цілому за різких її коливань у навколишньому середовищі. Оскільки на випаровування води витрачається багато теплоти, організми в такий спосіб захищають себе від перегрівання (наприклад, випаровування води в рослин, потовиділення у ссавців, випаровування вологи зі слизових оболонок тварин).
Мал. 7. Муха-льодовичник (ряд Скорпіонові мухи)
Теплоємність - кількість тепла, потрібна для нагрівання тіла або середовища на 1 °С.
В організмах не виявлено жодного з хімічних елементів, якого б не було в неживій природі. Це одне зі свідчень єдності живої і неживої природи.
Завдяки високій теплопровідності вода забезпечує рівномірний розподіл теплоти між тканинами та органами організму через кровообіг, лімфообіг, циркуляцію рідини порожнини тіла у тварин, рух розчинів по тілу рослин тощо.
Елементарний хімічний склад живих організмів. З-понад 120 різних типів атомів хімічних елементів в організмах виявляють понад 60. Одні з них є обов’язковими в усіх організмів, інші - лише в окремих (див. таблицю 1).
Хімічні елементи, частка яких становить майже 99,9 %, наприклад, Гідроген, Карбон, Нітроген, Оксиген, Кальцій, Калій, Натрій, Ферум, Магній, Сульфур, Хлор, Фосфор, належать до макроелементів. Близько 60 хімічних елементів - до мікроелементів (Йод, Кобальт, Манган, Купрум, Молібден, Цинк тощо), адже їхній уміст у клітині становить лише від 10 12 % до 10 3 %. Гідроген, Карбон, Нітроген та Оксиген називають органогенними елементами, оскільки саме їх найбільше у складі органічних сполук (сумарна частка становить майже 98 % хімічного вмісту живих істот).
Хімічні елементи, що містяться в клітині, входять до складу органічних і неорганічних сполук або перебувають у вигляді йонів.
Таблиця 1
Деякі хімічні елементи у складі організмів та їхнє біологічне значення
Продовження таблиці 1
Коротко про головне
Вода утворює основу внутрішнього середовища організмів, у якому відбуваються процеси обміну речовин і перетворення енергії. Вода бере безпосередню участь у реакціях розщеплення органічних сполук.
Вода визначає фізичні властивості клітин - їхній об’єм і внутрішньоклітинний тиск (тургор).
Вода - універсальний розчинник. Речовини, здатні добре розчинятися у воді, називають гідрофільними (полярними), нерозчинні у воді - гідрофобними (неполярними).
Вода відіграє важливу роль у транспорті різних сполук, бере участь у складних біохімічних перетвореннях, процесах теплорегуляції організмів.
Хімічний склад живих організмів, на відміну від об’єктів неживої природи, відносно сталий.
Залежно від умісту в організмах хімічні елементи поділяють на макро- (до 99,9 %) та мікроелементи (менш ніж 0,1 %). До макроелементів належать: Гідроген, Карбон, Нітроген, Оксиген, Кальцій, Калій, Натрій, Ферум, Магній, Сульфур, Хлор, Фосфор. Близько 60 хімічних елементів належать до групи мікроелементів (Йод, Кобальт, Манган, Купрум, Молібден, Цинк тощо).
Ключові терміни та поняття: макроелементи, мікроелементи, водневий зв’язок, гідрофільні, гідрофобні сполуки.
Перевірте здобуті знання
1. Яка будова молекули води? 2. Чому воду вважають універсальним розчинником? 3. Які властивості води як основи внутрішнього середовища живих організмів? 4. Яка роль води в процесах обміну речовин у живих організмах? 5. Які сполуки належать до гідрофільних, а які - до гідрофобних? 6. На які групи поділяють хімічні елементи залежно від їхнього відсоткового вмісту в складі живих істот? 7. Які хімічні елементи відносять до макроелементів? Наведіть приклади їхніх функцій у складі живих істот.
Поміркуйте
1. Чому вчені вважають, що життя на нашій планеті виникло саме у водному середовищі? 2. Про що може свідчити той факт, що в організмах живих істот не трапляються хімічні елементи, яких би не було в неживій природі?
Творче завдання
Використовуючи різні джерела інформації, підготуйте повідомлення про воду як важливий природний ресурс.
Коментарі (0)