Урок 2–3. Неорганические вещества. Вода: связь между

Урок 2–3. Неорганические вещества. Вода: связь между химическим
строением и ролью в жизнедеятельности клетки и организма
Оборудование: таблицы по общей биологии.
I. Проверка знаний
Устная проверка знаний по вопросам
1. Элементарный состав неживой и живой природы.
2. Характеристика органогенных элементов.
3. Молекулярный состав живой материи.
II. Изучение нового материала
1. Типы связей между атомами, играющие важную роль в живых
организмах
У большинства элементов (об этом вы знаете из курса химии) атомы нестабильны, т.к. последний
их электронный слой заполнен не до конца. Атомы с незаполненными внешними электронными
слоями способны вступать в химические реакции, образуя связи с другими атомами. Реакции
сопровождаются перегруппировкой электронов, в результате которой внешняя электронная
оболочка у каждого атома оказывается заполненной, и атом становится более стабильным.
В живых организмах важную роль играют три типа химических связей.
1. Ионная связь, которая образуется тогда, когда атом отдает другому атому один из нескольких
электронов. (Приведите примеры из курса химии.)
2. Ковалентная связь, образующаяся при возникновении у двух атомов обобществленной пары
электронов – по одному электрону от каждого атома. (Приведите примеры из курса химии.)
3. Водородная связь, в образовании которой участвует водородный атом, соединенный с какимнибудь другим атомом ковалентной полярной связью (обычно с атомами кислорода или азота). В
составе полярной молекулы водород несет частично положительный заряд. Этот заряд
притягивается третьим атомом (как правило, кислорода или азота), несущим частично
отрицательный заряд в составе другой полярной молекулы. Такое притяжение и называют
водородной связью.
В сравнении с ионной или ковалентной связью одиночная водородная связь – слабая. Она легко
рвется, но множество таких связей способно породить силу, на которой в прямом смысле и
«держится» все живое. Смысл этой фразы вам станет окончательно ясен несколько позже.
2. Содержание воды в клетке
Вода – одно из самых распространенных веществ на Земле, она покрывает большую часть земной
поверхности и входит в состав всех живых организмов.
Вода составляет почти 80% массы клетки (в головном мозге – 85%, в клетках развивающегося
зародыша – 90%). Две трети массы человека составляет вода. Человек может прожить без воды
не более 14 дней. Потеря организмом 20% воды может привести к смерти. Однако, не все клетки
организмов содержат одинаковое количество воды. Так, в клетках эмали зубов воды около 10%,
столь же немного ее в клетках покоящихся семян. В клетках молодого организма воды – около
80%, а в клетках старого – только 60%. Приведенные данные позволяют сделать вывод: чем
больше воды в клетке, тем интенсивнее в ней идут обменные процессы.
3. Структура и свойства молекулы воды
Уникальные свойства воды объясняются структурой ее молекул и определяют ее биологические
функции. Из курса химии известно, что формула молекулы воды Н2О. Она состоит из двух атомов
водорода и одного атома кислорода и при этом 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 – диполь.
Вследствие того, что электронные облака атомов водорода в молекуле воды оттянуты к атому
кислорода, ядра водородных атомов способны взаимодействовать с неподеленными парами
электронов атомов кислорода соседних молекул воды, т.е. между молекулами воды образуются
водородные связи. Каждая молекула воды имеет два атома водорода и две неподеленные пары
электронов, значит она может образовывать водородные связи с четырьмя соседними
молекулами воды.
Таким образом молекулы воды соединяются в удвоенные, утроенные и так далее
ассоциированные молекулы (гидраты). В итоге, в жидком состоянии вода состоит из отдельных
молекул и ассоциантов типа (Н2О)х. Способность молекул воды к образованию водородных
связей друг с другом существенно влияет на физические свойства этого вещества. Большая
теплоемкость, теплота плавления и теплота парообразования воды объясняются тем, что
большая часть поглощаемого тепла расходуется на разрыв водородных связей между
молекулами.
Вода обладает высокой теплопроводностью. Она практически не сжимается и прозрачна в
видимом участке спектра. Наконец, вода – вещество, плотность которого в жидком состоянии
больше, чем в твердом (при 4 °С вода имеет максимальную плотность, у льда плотность меньше,
поэтому он поднимается на поверхность).
Физические и химические свойства делают воду уникальной жидкостью и определяют ее
биологическое значение.
4. Биологическое значение воды
Роль воды к клетках и в организмах велика. Рассмотрим ее биологические функции, исходя из
физических и химических свойств этого уникального вещества.
1. Вода способна к когезии, т.е. к сцеплению своих молекул под действием сил притяжения. Вода
способна слипаться сама с собой и с другими веществами (можно, например, воду налить в стакан
«с верхом» и она не прольется). Это возможно благодаря поверхностному натяжению воды, из-за
которого ее поверхность как бы покрыта «кожицей». Эти физические особенности воды позволяют
ей выполнять важную биологическую функцию – определение физических свойств клетки: ее
объема и упругости (тургесцентностъ). У круглых червей вода полостной жидкости играет роль
гидростатического скелета, выполняя опорную функцию.
2. Способность воды к адгезии. Ее свойство притягиваться любой поверхностью, несущей
электрический заряд, позволяет ей подниматься по мелким порам в почве и по сосудам ксилемы у
растений на большую высоту.
Структура воды
3. Силы сцепления между молекулами воды обеспечивают ее вязкость, поэтому вода является
смазывающим веществом в биологических системах. Например, синовиальная жидкость в
суставах позвоночных.
4. Вода – хороший растворитель ионных (полярных), а также некоторых неионных соединений, в
молекулах которых присутствуют заряженные (полярные) группы. Любые полярные соединения в
водегидратируются (окружаются молекулами воды), при этом молекулы воды участвуют в
образовании структуры молекул органических веществ. Если энергия притяжения молекул воды к
молекулам какого-либо вещества больше, чем энергия притяжения между молекулами самого
вещества, то вещество растворяется в воде. По отношению к воде различают: гидрофильные
вещества (от греч. гидрос – вода и филео – любить), хорошо растворимые в воде,
и гидрофобные вещества (от греч. гидрос и фобос – страх), практически нерастворимые в воде.
Гидрофильные (А) и гидрофобные (Б) молекулы
В молекулах гидрофильных веществ преобладают полярные группы (–ОН; С=О; –СООН; –NH2),
которые способны устанавливать с молекулами воды водородные связи. Гидрофильными
свойствами обладают соли, кислоты, щелочи, белки, углеводы.
Гидрофобные вещества имеют неполярные молекулы, которые отталкиваются молекулами воды.
В воде не растворяются жиры, бензин, полиэтилен и другие вещества.
Свойство воды как растворителя имеет большое значение для живых организмов, так как
большинство биохимических реакций может идти только в водном растворе. Кроме того, в
качестве растворителя вода обеспечивает как приток веществ в клетку, так и удаление из нее
продуктов жизнедеятельности.
5. Подвижность молекул воды объясняется тем, что водородные связи, связывающие соседние
молекулы, слабы, что и приводит к постоянным столкновениям ее молекул в жидкой фазе.
Молекулярная подвижность воды позволяет осуществляться осмосу (диффузии, направленному
движению молекул через полупроницаемую мембрану в более концентрированный раствор),
необходимому для поглощения и движения воды в живых системах.
Осмос
6. Среди самых распространенных в природе жидкостей вода имеет наибольшую теплоемкость,
поэтому у нее высокая температура кипения (100 °С) и низкая температура замерзания (0 °С).
Подобные свойства воды позволили ей стать главной составляющей внутриклеточных и
внутриорганизменных жидкостей. Правда, температура замерзания воды несколько выше, чем
было бы идеально для жизни, так как на Земле обширные территории имеют температуры ниже 0
°С. Если кристаллы льда образуются в живом организме, то они могут разрушить его тонкие
внутренние структуры и вызвать его гибель. У озимой пшеницы, у ряда насекомых, у лягушек в
организме есть природные антифризы, предотвращающие образование льда в их клетках.
7. «Необычная» плотность и «поведение» воды вблизи точки замерзания приводят к тому, что
лед плавает на поверхности водоемов, создавая изолирующий слой, который при низких
температурах защищает водных обитателей и водоем от полного промерзания.
8. Вода обладает большой удельной теплотой парообразования, поэтому, испаряясь, вода
способствует охлаждению тела (при испарении 1 г воды тело теряет 2430 Дж энергии).
Известно, что за день тяжелой работы человек теряет до 10 л пота. Если бы пот во время работы
не выделялся и не испарялся, то организм «нагрелся» бы до 100 °С. Испарение воды с
поверхности листьев растений в ходе транспирации также способствует охлаждению.
9. Вода является реагентом во многих химических реакциях. Например, гидролитическое
расщепление белков, углеводов, жиров и т.д. Вода играет роль источника кислорода, выделяемого
при фотосинтезе, и водорода, который используется для восстановления продуктов ассимиляции
углекислого газа.
10. Большая теплоемкость и теплопроводность воды способствует равномерному распределению
тепла в клетке и в организме.
Таким образом, вода – самая удивительная жидкость на Земле, свойства которой превосходят
всякую фантазию. Уникальные свойства воды позволяют ей выполнять не менее уникальные
биологические функции.
III. Закрепление знаний
Обобщающая беседа по ходу изучения нового материала.
Заполнение таблицы «Биологические функции воды».
Таблица 3. Биологические функции воды
Свойства воды
Биологическое значение
1. Высокая температура кипения
Образует основу внутренней среды организмов
2. Расширение при замерзании
Лед защищает водоемы от промерзания, а водных
обитателей замерзающих озер, прудов и рек от гибели
3. Хороший растворитель
4. Сочетание высокой теплоемкости и
высокой теплопроводности
В водных растворах протекает большинство
биохимических реакций
Поддержание теплового равновесия организма,
обеспечение его термостабильности
5. Капиллярность
6. Высокая скрытая теплота
парообразования
Подъем воды и растворенных в ней веществ на большую
высоту в почве и в теле растений
Охлаждение организма при минимальной потере воды
7. Прозрачность
Возможность фотосинтеза на небольшой глубине
8. Практически полная несжимаемость
Поддержание формы организмов
9. Подвижность молекул
Возможность осмоса
10. Вязкость
Смазывающие свойства
IV. Домашнее задание
Изучить параграф учебника (строение, свойства и биологические функции воды).