Тема: Неорганические вещества клетки: вода и минеральные соли, их роль.
Цель: изучить функции воды и минеральных солей в клетке.
Содержание урока
1. Молекулярный состав
Химические элементы входят в состав клеток в виде ионов и молекул неорганических и органических веществ. Важнейшие неорганические вещества в клетке – вода и минеральные соли, важнейшие органические вещества – углеводы, липиды, белки и нуклеиновые кислоты.
Содержание химических соединений в клетке
Содержание в клетке химических соединений (% на сырую массу):
-вода – 75-85%;
-белки – 10-20%;
-жиры – 1-5%;
-углеводы – 0,2-2,0%;
-нуклеиновые кислоты – 1-2%;
-низкомолекулярные органические соединения – 0,1-0,5%;
-неорганические вещества – 1,0-1,5%.
Значительная часть соединений, входящих в состав клетки, встречается в больших количествах только в живой природе. Это органические вещества. Однако есть соединение, которое одинаково характерно как для живой, так и для неживой природы - это вода.
2. Вода
Среди веществ клетки вода по массе стоит на первом месте (структурная функция). Содержание воды в разных клетках различается. В большинстве случаев вода составляет более ¾ массы клетки. Вода в клетке присутствует в двух формах: свободной (95% всей воды клетки) и связанной (4-5% связаны с белками).
Считается, что миллиарды лет тому назад в первичном океане на нашей планете зародилась жизнь, и вся дальнейшая эволюция природы была неразрывно связана с водой. И в настоящее время вода для многих организмов это еще и среда обитания. Уникальные свойства этой относительно небольшой молекулы позволили нашей планете стать такой, какая она есть сейчас. Все жители Земли, растения, животные, грибы и бактерии, обязаны воде жизнью. В чем же заключается особенность этого вещества?
Из курса химии известно, что молекула воды электронейтральна.
По своей электроотрицательности (способности присоединять электроны) кислород уступает только фтору, самому активному неметаллу. Электроотрицательность же водорода достаточно низка. Как следствие, в молекуле воды общая электронная пара, образующая ковалентную связь между атомом кислорода и каждым атомом водорода, оттягивается к атому кислорода. В результате этого он приобретает частично отрицательный заряд, а атомы водорода – частично положительные заряды. Электрический заряд внутри молекулы распределен неравномерно: в области атомов водорода преобладает положительный заряд, в области, где расположен атом кислорода, выше плотность отрицательного заряда.
Угол между связями О-Н в молекуле воды составляет 104,5°. Таким образом, атомы кислорода и водорода в ней не лежат на одной прямой. Благодаря этому молекула воды представляет собой диполь, в котором на одном полюсе находится отрицательный заряд (атом кислорода), а на другом – положительный (атомы водорода).
Диполи воды несут заряды, при их взаимодействии друг с другом и другими полярными молекулами важную роль играют силы электростатического (кулоновского) взаимодействия. Это приводит к тому, что атомы, имеющие противоположные заряды, притягиваются и между ними устанавливается нековалентная связь, называемая водородной (вообще такая связь может образоваться и между атомами водорода и азота, водорода и хлора, то есть между водородом и любым сильно отрицательным атомом). Отрицательно заряженный атом кислорода одной молекулы притягивается к положительно заряженному атому водорода другой молекулы с образованием водородной связи. Водородная связь гораздо слабее любой ковалентной, но за счет большого количества (а каждая молекула воды способна взаимодействовать с 4 другими молекулами воды) эти связи существенно влияют на физические свойства воды. Высокие температура кипения, температура плавления, большие теплоемкость и теплота парообразования объясняются тем, что большая часть подводимого при нагревании тепла расходуется не на приращение внутренней энергии молекул воды, а на разрыв водородных связей между ними.
Дипольностью молекулы воды объясняется ее способность ориентироваться в электрическом поле, присоединяться к различным молекулам и участкам молекул, несущих заряд. В результате этого образуются гидраты.
Способностью воды образовывать гидраты обусловлены ее универсальные растворяющие свойства. Вода – универсальный растворитель. Если силы притяжения молекул воды к молекулам какого-либо вещества больше, чем силы притяжения между молекулами воды, то вещество растворяется.
Любые вещества, имеющие заряженные группы, растворяются в воде. Такие соединения называют гидрофильными (от греческого hydros – вода и phileo - люблю). Большинство веществ, присутствующих в клетке, относится к этой группе, например, соли, аминокислоты, сахара, белки, простые спирты, альдегиды, азотистые основания. Когда вещество переходит в раствор, его реакционная способность увеличивается.
Однако есть соединения, которые в воде растворяются очень плохо или вовсе не растворяются. Такие вещества называют гидрофобными (от греческого hydros – вода и phobos - страх), к ним относятся, в частности, жиры, жироподобные вещества (липоиды), полисахариды и некоторые белки.
Промежуточное положение занимают амфипатические соединения, например, липиды, содержащие как гидрофобные (углеводородная цепь жирной кислоты), так и гидрофильные (атомы кислорода сложноэфирной группировки, образующие связь между глицерином и жирной кислотой) группы. Они входят в состав клеточных мембран, ограничивают переход растворенных веществ из наружной среды в клетки и обратно, а также из одних частей клетки в другие.
Большинство процессов, которые протекают внутри клетки, могут осуществляться только в водной среде. Но вода не только обеспечивает условия химических реакций, она сама участвует во многих метаболических процессах. Например, расщепление белков, углеводов и других органических веществ происходит в результате катализируемого ферментами взаимодействия их с водой. Такие реакции называют реакциями гидролиза (от греческого hydros и lysis - расщепление). В реакциях гидролиза (реакции ионного обмена между различными веществами и водой) белки расщепляются до аминокислот, а крахмал до глюкозы. В реакциях гидролиза вода тратится. Образование биополимеров из мономеров сопровождается образованием молекул воды. Высвобождение энергии в организме происходит при взаимодействии с водой главной энергетической молекулы – АТФ. Вода участвует в реакциях фотосинтеза и в синтезе АТФ в митохондриях. Вода источник кислорода, выделяемого растениями в атмосферу, и водорода, который используется для синтеза органических веществ.
Сочетание высокой теплоемкости и теплопроводности делает воду идеальной жидкостью для поддержания теплового равновесия. Тепло быстро и равномерно распределяется между всеми частями организма. Высокая теплоемкость воды позволяет ей смягчать влияние на организм значительных перепадов температуры в окружающей среде.
Способность молекул воды при испарении уносить с собой значительное количество тепла (высокая теплота испарения), охлаждая организм, используется при потоотделении у млекопитающих, тепловой одышке у крокодилов и транспирации у растений, предотвращая перегрев.
Высокая интенсивность испарения приводит к быстрой потере тепла и предохраняет от перегрева: испарение у растений и потоотделение у животных являются защитными реакциями и позволяют при минимальной потере воды существенно снизить температуру тела.
Практически полная несжимаемость воды обеспечивает поддержание формы клетки, а вязкость придает воде свойства смазки.
Высокая сила поверхностного натяжения воды обеспечивает восходящий и нисходящий транспорт веществ в растениях и движение крови в капиллярах. Многие мелкие организмы легко удерживаются и передвигаются по поверхности воды, благодаря наличию пленки поверхностного натяжения. Вода принимает участие в удалении ненужных продуктов из организма.
Высокое содержание воды в клетке – важнейшее условие ее деятельности. При потере части воды ряд одноклеточных и многоклеточных организмов временно утрачивает признаки жизни. Такое состояние называется анабиозом. После увлажнения клетки пробуждаются и становятся вновь активными. При потере значительной части воды организмы гибнут.
3. Соли
Важную роль в жизнедеятельности клетки играют минеральные соли, представленные в основном катионами калия (К+), натрия (Nа+), кальция (Са2+), магния (Mg2+) и анионами соляной (Cl-), угольной (НСО3-), фосфорной (НРО42-, Н2РО4-) и некоторых других кислот. Существенным является не только концентрация, но и соотношение отдельных ионов в клетке. Многие ионы неравномерно распределены между клеткой и окружающей средой, так, например, в цитоплазме концентрация ионов калия в 20-30 раз выше, чем снаружи, а концентрация ионов натрия внутри клетки, наоборот, в 10 раз ниже. Именно благодаря существованию подобных градиентов концентрации осуществляются многие важные процессы жизнедеятельности, такие, как возбуждение нервных клеток, сокращение мышечных волокон. После гибели клетки концентрация катионов снаружи и внутри быстро выравнивается.
Таблица «Функции минеральных веществ»
| № | Функция | Характеристика |
| 1. | Поддержание кислотно-щелочного равновесия | Наиболее важные буферные системы млекопитающих – фосфатная и бикарбонатная. Фосфатная буферная система (НРО42-, Н2РО4-) поддерживает рН внутриклеточной жидкости в пределах 6,9-7,4. Бикарбонатная система (НСО3-и Н2СО3) сохраняет рН внеклеточной среды (плазмы крови) на уровне 7,4
|
| 2. | Участие в создании мембранных потенциалов клеток | В составе наружной клеточной мембраны клетки имеются так называемые ионные насосы. Один из них натрий-калиевый насос – белок, пронизывающий плазматическую мембрану, накачивает ионы калия внутрь клетки и выкачивает из нее ионы натрия. При этом на каждые два поглощенных иона калия выводятся три иона натрия. В результате образуется разность зарядов (потенциалов) внешней и внутренней поверхностей мембраны клеток: внутренняя сторона заряжена отрицательно, наружная – положительно. Разность потенциалов необходима для передачи возбуждения по нерву или мышце. |
| 3. | Активация ферментов | Ионы Са, Mg, Fe, Zn, Cu, Mn, Co и других металлов являются компонентами многих ферментов, гормонов и витаминов. |
| 4. | Создание осмотического давления в клетке | Более высокая концентрация ионов солей внутри клетки обеспечивает поступление в нее воды и создание тургорного давления. |
| 5. | Строительная (структурная) | Соединения азота, фосфора, серы и другие неорганические вещества служат источником строительного материала для синтеза органических молекул (аминокислот, белков, нуклеиновых кислот и др.) и входят в состав ряда опорных структур клетки и организма (образование наружного и внутреннего скелета). Соли кальция и фосфора входят в состав костной ткани животных, формируют раковины моллюсков. |
Кроме того, соляная кислота входит в состав желудочного сока животных и человека, ускоряя процессы переваривания белков пищи. Остатки серной кислоты способствуют выведению чужеродных веществ из организма. Натриевые и калиевые соли азотистой и фосфорной кислот, кальциевая соль серной кислоты служат важными компонентами минерального питания растений, их вносят в почву в качестве удобрений.
Закрепление
Вопросы:
1.Каковы особенности пространственной организации молекул воды, обуславливающие ее биологическое значение?
2. Какие свойства молекул воды характеризуют воду как растворитель? Как связать ее строение с физическими и химическими свойствами и биологическими функциями?
3. В чем заключается биологическая роль воды?
4. Какие вещества называются гидрофильными?
5. Какие вещества называются гидрофобными?
6. Какие вещества поддерживают рН клетки на постоянном уровне?
7. Расскажите о роли минеральных солей в жизнедеятельности клетки.
Обобщение: Сформулируйте вывод по уроку!
Домашнее задание: Конспект в тетради учить.
Справочный материал
(Читать! Таблицы можно вклеить в тетрадь, не переписывать!)
Таблица «Физические свойства воды и их значение для биологических процессов различных уровней»
| № | Физическое свойство | Значение | Примеры |
| 1. | Сочетание высокой теплоемкости (благодаря наличию водородных связей между молекулами) и высокой теплопроводности (из-за небольших размеров самих молекул) | 1. Идеальная жидкость для поддержания теплового равновесия организма – большое количество воды в клетках придает организму термостабильность и, кроме того, указанные физические свойства дают возможность значительно охладиться при минимальной потере воды. 2. Круговорот воды в природе является одним из элементов формирования погоды в данное время, а также климата в целом. | Транспирация у растений, потоотделение у млекопитающих
Периодическое выпадение осадков. Исторически сложившиеся условия увлажнения в различных природных зонах |
| 2. | Прозрачность в видимом участке спектра | Возможность фотосинтеза на небольшой глубине и, следовательно, возможность существования связанных с ним пищевых цепей | Высокопродуктивные биоценозы прудов, озер, рек, морского шельфа |
| 3. | Практически полная несжимаемость (благодаря силам межмолекулярного сцепления) | Поддержание формы организмов | Тургорное давление придает форму сочным органам и тканям растений, у травянистых растений обеспечивает положение в пространстве. Гидростатический скелет (круглые черви, медузы). Амниотическая жидкость поддерживает и защищает плод млекопитающих |
| 4. | Подвижность молекул (вследствие слабости водородных связей) | Возможность осмоса | Поступление воды из почвы; плазмолиз |
| 5. | Вязкость (благодаря наличию водородных связей) | Смазывающие свойства | Синовиальная жидкость является «смазкой» в суставах позвоночных. Плевральная жидкость уменьшает трение между грудной клеткой и легкими во время дыхания. |
| 6. | Хороший растворитель (благодаря полярности молекул) | Самый распространенный в природе растворитель (в воде растворяется большинство веществ, необходимых организмам), среда протекания многих химических реакций в организме | Кровь, тканевая жидкость, лимфа, желудочный сок, слюна – у животных. Клеточный сок (водный раствор белков, сахаридов, органических кислот, пигментов и др.) – у растений. Организмы, живущие в водной среде, используют кислород, растворенный в воде |
| 7. | Способность образовывать гидратационную оболочку вокруг макромолекул (благодаря полярности молекул) | Является дисперсионной средой в коллоидной системе цитоплазмы | Гиалоплазма представляет собой коллоидный раствор белков, в котором макромолекулы белков окружены «чехлом» из определенным образом ориентированных молекул воды |
| 8. | Оптимальное для биологических систем значение силы поверхностного натяжения (определяемого силами межмолекулярного сцепления) | Водные растворы являются средством передвижения веществ в организме | Капиллярный кровоток; восходящий и нисходящий токи растворов в растении |
| 9. | Расширение при замерзании (благодаря образованию каждой молекулой максимального числа – четырех водородных связей) | Лед легче воды, он образуется на поверхности водоемов и выполняет функцию теплоизоляции – защищает от холода находящиеся в воде организмы | Сохранение зимой биоценозов замерзающих озер, прудов и рек |
Таблица «Функции воды»
| № | Функция | Характеристика |
| 1. | Вода как растворитель | Вода является лучшим из известных растворителей, в ней растворяется больше веществ, чем в любой другой жидкости. Многие химические реакции в клетке являются ионными, поэтому протекают только в водной среде. Молекулы воды полярны, поэтому вещества, молекулы которых также полярны, хорошо растворяются в воде, а вещества, молекулы которых не полярны, не растворяются (плохо растворяются) в воде. |
| 2. | Вода как реагент | Вода участвует во многих химических реакциях: реакциях гидролиза, полимеризации, в процессе фотосинтеза и др. |
| 3. | Транспортная | 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 (благодаря наличию водородных связей): смягчает влияние на организм значительных перепадов температур в окружающей среде; высокая теплопроводность (вследствие небольших размеров молекул) позволяет организму поддерживать одинаковую температуру во всем его объеме; высокая теплота испарения (благодаря наличию водородных связей); вода используется для охлаждения организма при потоотделении у млекопитающих и транспирации растений. |
| 5. | Структурная | Цитоплазма клеток содержит обычно 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, круглые черви). Это возможно благодаря такому свойству воды, как полная несжимаемость) |
Таблица «Метаболические функции воды»
| № | Метаболическая функция | Примеры |
| 1. | Участие в реакциях гидролиза | 1) I этап диссимиляции Гидролиз биополимеров до мономеров: Белки + вода = аминокислоты Крахмал + вода = глюкоза Гидролиз жиров: Жир + вода = глицерин + жирные кислоты 2) высвобождение энергии АТФ АТФ + Н2О = АДФ + Н3РО4 + Е (40 кДж) |
| 2. | Донор электронов | Фотолиз воды внутри тилакоидов хлоропластов в ходе световой фазы фотосинтеза |
| 3. | Источник атомарного водорода | Восстановление продуктов ассимиляции в ходе темновой фазы фотосинтеза |
| 4. | Источник протонов для работы протонных насосов | 1) синтез АТФ в митохондриях на III этапе диссимиляции 2) синтез АТФ в хлоропластах |
Дополнительный материал (не обязательный для запоминания)
Жидкость в подчерепном пространстве предохраняет от сотрясения головной мозг.
Жидкость в околосердечной сумке – перикарде облегчает движения сердца при его сокращениях.
4
39 549
555 
