1. Kakvu strukturu ima voda?

Odgovor. Molekula vode ima kutnu strukturu: jezgre koje ulaze u njen sastav formiraju se jednakokračan trokut, koji ima dva vodika na bazi i atom kisika na vrhu. Internuklearno O-H udaljenosti blizu 0,1 nm, udaljenost između jezgri vodikovih atoma je 0,15 nm. Od šest elektrona koji čine vanjski elektronski sloj atoma kisika u molekuli vode, dva elektronska para tvore kovalentnu O-N spojevi, a preostala četiri elektrona predstavljaju dva usamljena para elektrona.

Molekula vode mali je dipol koji na svojim polovima sadrži pozitivne i negativne naboje. U blizini jezgri vodika postoji manjak elektronske gustoće, a na suprotnoj strani molekule, u blizini jezgre kisika, postoji višak elektronske gustoće. Upravo ta struktura određuje polaritet molekule vode.

2. Kolika je količina vode (u%) sadržana u različitim stanicama?

Količina vode varira u različitim tkivima i organima. Tako je kod ljudi njegov sadržaj u sivoj tvari mozga 85%, au koštanom tkivu - 22%. Najveći sadržaj vode u tijelu opažen je u embrionalnom razdoblju (95%) i postupno se smanjuje s godinama.

Sadržaj vode u različitim biljnim organima varira u prilično širokim granicama. Mijenja se ovisno o uvjetima vanjsko okruženje, starost i vrsta biljaka. Dakle, sadržaj vode u listovima salate je 93-95%, kukuruz - 75-77%. Količina vode varira u različitim biljnim organima: lišće suncokreta sadrži 80-83% vode, stabljike - 87-89%, korijenje - 73-75%. Sadržaj vode od 6-11% tipičan je uglavnom za sjemenke sušene na zraku, u kojima su vitalni procesi inhibirani. Voda se nalazi u živim stanicama, mrtvim elementima ksilema i međustaničnim prostorima. U međustaničnim prostorima voda je u parovitom stanju. Glavni evaporativni organi biljke su listovi. S tim u vezi prirodno je da najveći broj voda ispunjava međustanične prostore lišća. U tekućem stanju voda se nalazi u raznim dijelovima stanice: staničnoj membrani, vakuoli, citoplazmi. Vakuole su najbogatiji dio stanice vodom, gdje njezin sadržaj doseže 98%. Pri najvećem sadržaju vode, sadržaj vode u citoplazmi je 95%. Najniži sadržaj vode karakterističan je za stanične membrane. Kvantitativno određivanje sadržaja vode u staničnim membranama je teško; prividno se kreće od 30 do 50%. Oblici vode u različite dijelove biljna stanica također su različiti.

3. Koja je uloga vode u živim organizmima?

Odgovor. Voda je dominantna komponenta svih živih organizama. Ima jedinstvena svojstva zbog svojih strukturnih značajki: molekule vode imaju oblik dipola i između njih se stvaraju vodikove veze. Prosječni sadržaj vode u stanicama većine živih organizama je oko 70%. Voda u stanici prisutna je u dva oblika: slobodna (95% sve stanične vode) i vezana (4-5% vezano za proteine).

Funkcije vode:

1.Voda kao otapalo. Puno kemijske reakcije u stanici su ionski, stoga se javljaju samo u vodeni okoliš. Tvari koje se otapaju u vodi nazivaju se hidrofilne (alkoholi, šećeri, aldehidi, aminokiseline), one koje se ne otapaju nazivaju se hidrofobne (masne kiseline, celuloza).

2.Voda kao reagens. Voda sudjeluje u mnogim kemijskim reakcijama: reakcijama polimerizacije, hidrolize i u procesu fotosinteze.

3.Transportna funkcija. Kretanje kroz tijelo zajedno s vodom u njoj otopljenih tvari u njegove različite dijelove i uklanjanje nepotrebnih proizvoda iz tijela.

4.Voda kao termostabilizator i termostat. Ova funkcija je zbog takvih svojstava vode kao što je visoki toplinski kapacitet - omekšava učinak na tijelo značajnih promjena temperature u okolišu; visoka toplinska vodljivost - omogućuje tijelu održavanje iste temperature u cijelom volumenu; visoka toplina isparavanja – koristi se za hlađenje tijela tijekom znojenja kod sisavaca i transpiracije kod biljaka.

5. Strukturna funkcija. Citoplazma stanica sadrži od 60 do 95% vode, a ona stanicama daje normalan oblik. Kod biljaka voda održava turgor (elastičnost endoplazmatske membrane), kod nekih životinja služi kao hidrostatski kostur (meduze)

Pitanja iza § 7

1. Koja je osobitost strukture molekule vode?

Odgovor. Jedinstvena svojstva vode određena su strukturom njezine molekule. Molekula vode sastoji se od atoma O koji je povezan s dva atoma H polarnim kovalentnim vezama. Karakterističan raspored elektrona u molekuli vode daje joj električnu asimetriju. Elektronegativniji atom kisika jače privlači elektrone vodikovih atoma, zbog čega su zajednički parovi elektrona u molekuli vode pomaknuti prema njemu. Stoga, iako je molekula vode kao cjelina nenabijena, svaki od dva atoma vodika nosi djelomično pozitivan naboj (označen 8+), a atom kisika nosi djelomično negativan naboj (8-). Molekula vode je polarizirana i dipol je (ima dva pola).

Djelomično negativan naboj atoma kisika jedne molekule vode privlače djelomično pozitivni atomi vodika drugih molekula. Dakle, svaka molekula vode nastoji stvoriti vodikovu vezu s četiri susjedne molekule vode.

2. Koja je važnost vode kao otapala?

Odgovor. Zbog polarnosti molekula i sposobnosti stvaranja vodikovih veza, voda lako otapa ionske spojeve (soli, kiseline, baze). U vodi su topljivi i neki neionski, ali polarni spojevi, tj. čija molekula sadrži nabijene (polarne) skupine, na primjer šećeri, jednostavni alkoholi, aminokiseline. Tvari koje su dobro topive u vodi nazivaju se hidrofilnim (od grčkog hygros - mokar i philia - prijateljstvo, sklonost). Kada tvar prijeđe u otopinu, njezine se molekule ili ioni mogu slobodnije kretati i stoga se reaktivnost tvari povećava. To objašnjava zašto je voda glavni medij u kojem se odvija većina kemijskih reakcija, a sve reakcije hidrolize i brojne redoks reakcije odvijaju se uz izravno sudjelovanje vode.

Tvari koje su slabo ili potpuno netopljive u vodi nazivamo hidrofobnim (od grč. phobos – strah). To uključuje masti, nukleinske kiseline, neke proteine i polisaharide. Takve tvari mogu tvoriti međupovršine s vodom na kojima se odvijaju mnoge kemijske reakcije. Stoga je za žive organizme vrlo važna i činjenica da voda ne otapa nepolarne tvari. Među fiziološki važnim svojstvima vode je njezina sposobnost otapanja plinova (O2, CO2, itd.).

3. Što je toplinska vodljivost i toplinski kapacitet vode?

Odgovor. Voda ima veliki toplinski kapacitet, odnosno sposobnost upijanja Termalna energija uz minimalno povećanje vlastite temperature. Veliki toplinski kapacitet vode štiti tjelesna tkiva od naglog i snažnog porasta temperature. Mnogi se organizmi hlade isparavanjem vode (transpiracija kod biljaka, znojenje kod životinja).

4. Zašto se vjeruje da je voda idealna tekućina za stanicu?

Odgovor. Visok sadržaj vode u ćeliji - najvažniji uvjet njezine aktivnosti. Gubitkom većeg dijela vode mnogi organizmi umiru, a brojni jednostanični pa čak i višestanični organizmi privremeno gube sve znakove života. Ovo se stanje naziva suspendirana animacija. Nakon hidratacije stanice se bude i ponovno postaju aktivne.

Molekula vode je električki neutralna. Ali električno punjenje unutar molekule raspoređen je neravnomjerno: u području atoma vodika (točnije protona) prevladava pozitivan naboj, u području gdje se nalazi kisik veća je gustoća negativnog naboja. Stoga je čestica vode dipol. Svojstvo dipola molekule vode objašnjava njezinu sposobnost da se orijentira u električnom polju i pričvrsti na različite molekule i dijelove molekula koji nose naboj. Kao rezultat toga nastaju hidrati. Sposobnost vode da stvara hidrate je zbog svojih univerzalnih svojstava otapala. Ako je energija privlačenja molekula vode prema molekulama tvari veća od energije privlačenja između molekula vode, tada se tvar otapa. Ovisno o tome razlikuju se hidrofilne (grč. hydros - voda i phileo - ljubav) tvari koje su vrlo topljive u vodi (npr. soli, lužine, kiseline itd.) i hidrofobne (grč. hydros - voda i fobos). - strah) tvari, teško ili nikako topljive u vodi (masti, mastima slične tvari, guma i sl.). U sastav staničnih membrana ulaze tvari slične mastima koje ograničavaju prijelaz iz vanjskog okoliša u stanice i natrag, kao i iz jednog dijela stanice u drugi.

Većina reakcija koje se odvijaju u stanici mogu se dogoditi samo u Vodena otopina. Voda je izravan sudionik u mnogim reakcijama. Na primjer, razgradnja proteina, ugljikohidrata i drugih tvari događa se kao rezultat njihove interakcije s vodom koju kataliziraju enzimi. Takve reakcije nazivamo reakcijama hidrolize (grč. hydros – voda i lysis – cijepanje).

Voda ima veliki toplinski kapacitet i istovremeno relativno visoku toplinsku vodljivost za tekućine. Ova svojstva čine vodu idealnom tekućinom za održavanje toplinske ravnoteže stanica i organizama.

Voda je glavni medij za biokemijske reakcije u stanici. To je izvor kisika koji se oslobađa tijekom fotosinteze i vodika, koji se koristi za obnavljanje proizvoda asimilacije ugljičnog dioksida. I na kraju, voda je glavno transportno sredstvo tvari u tijelu (krvotok i limfni tok, uzlazno i silazno strujanje otopina kroz žile biljaka) iu stanici.

5. Koja je uloga vode u stanici

Osiguravanje elastičnosti stanica. Posljedice gubitka vode stanicama su venuće lišća, sušenje plodova;

Ubrzanje kemijskih reakcija otapanjem tvari u vodi;

Osiguravanje kretanja tvari: ulazak većine tvari u stanicu i njihovo uklanjanje iz stanice u obliku otopina;

Osiguravajući raspad mnogih kemijske tvari(određeni broj soli, šećera);

Sudjelovanje u nizu kemijskih reakcija;

Sudjelovanje u procesu termoregulacije zbog sposobnosti polaganog zagrijavanja i polaganog hlađenja.

6. Koje strukturne i fizikalno-kemijske karakteristike voda odrediti njezinu biološku ulogu u stanici?

Odgovor. Strukturna fizikalno-kemijska svojstva vode određuju njezine biološke funkcije.

Voda je dobro otapalo. Zbog polarnosti molekula i sposobnosti stvaranja vodikovih veza, voda lako otapa ionske spojeve (soli, kiseline, baze).

Voda ima veliki toplinski kapacitet, odnosno sposobnost apsorbiranja toplinske energije uz minimalno povećanje vlastite temperature. Veliki toplinski kapacitet vode štiti tjelesna tkiva od naglog i snažnog porasta temperature. Mnogi se organizmi hlade isparavanjem vode (transpiracija kod biljaka, znojenje kod životinja).

Voda također ima visoku toplinsku vodljivost, osiguravajući ravnomjernu raspodjelu topline po cijelom tijelu. Posljedično, veliki specifični toplinski kapacitet i visoka toplinska vodljivost čine vodu idealnom tekućinom za održavanje toplinske ravnoteže stanica i organizama.

Voda se praktički ne sabija, stvarajući turgorski tlak, određujući volumen i elastičnost stanica i tkiva. Dakle, hidrostatski kostur održava oblik valjkastih crva, meduza i drugih organizama.

Voda se odlikuje optimalnim biološki sustavi vrijednost površinske napetosti, koja nastaje zbog stvaranja vodikovih veza između molekula vode i molekula drugih tvari. Zbog sile površinske napetosti dolazi do kapilarnog krvotoka, uzlaznih i silaznih strujanja otopina u biljkama.

U određenim biokemijskim procesima voda djeluje kao supstrat.

1.3 Raspodjela vode u ćeliji

Sadržaj vode u različitim biljnim organima varira u prilično širokim granicama. Razlikuje se ovisno o okolišnim uvjetima, starosti i vrsti biljaka. Dakle, sadržaj vode u listovima salate je 93-95%, kukuruz - 75-77%. Količina vode varira u različitim biljnim organima: listovi suncokreta sadrže 80-83% vode, stabljike sadrže 87-89%, korijenje sadrži 73-75%. Sadržaj vode od 6-11% tipičan je uglavnom za sjemenke sušene na zraku, u kojima su vitalni procesi inhibirani.

Voda se nalazi u živim stanicama, mrtvim elementima ksilema i međustaničnim prostorima. U međustaničnim prostorima voda je u parovitom stanju. Glavni evaporativni organi biljke su listovi. S tim u vezi, prirodno je da najveća količina vode ispunjava međustanične prostore lišća. U tekućem stanju voda se nalazi u raznim dijelovima stanice: staničnoj membrani, vakuoli, protoplazmi. Vakuole su najbogatiji dio stanice vodom, gdje njezin sadržaj doseže 98%. Pri najvećem sadržaju vode, sadržaj vode u protoplazmi je 95%. Najniži sadržaj vode karakterističan je za stanične membrane. Kvantitativno određivanje sadržaja vode u staničnim membranama je teško; prividno se kreće od 30 do 50%.

Oblici vode u različitim dijelovima biljne stanice također su različiti. Vakuolarnim staničnim sokom dominira voda koju zadržavaju spojevi relativno niske molekularne težine (osmotski vezani) i slobodna voda. U ovojnici biljne stanice vodu vežu uglavnom visokopolimerni spojevi (celuloza, hemiceluloza, pektinske tvari), odnosno koloidno vezana voda. U samoj citoplazmi nalazi se slobodna voda, koloidno i osmotski vezana. Voda koja se nalazi na udaljenosti do 1 nm od površine proteinske molekule je čvrsto vezana i nema pravilnu heksagonalnu strukturu (koloidno vezana voda). Osim toga, u protoplazmi postoji određena količina iona, pa je stoga dio vode osmotski vezan.

Fiziološki značaj slobodne i vezane vode je različit. Većina istraživača smatra da intenzitet fiziološki procesi, uključujući stope rasta, prvenstveno ovisi o sadržaju slobodne vode. Postoji izravna korelacija između sadržaja vezane vode i otpornosti biljaka na nepogod vanjski uvjeti. Ove fiziološke korelacije nisu uvijek uočene.

Golgijev aparat

Lizosomi su male vezikule okružene jednom membranom. Oni pupaju iz Golgijevog aparata i moguće iz endoplazmatskog retikuluma. Lizosomi sadrže razne enzime koji razgrađuju velike molekule...

Zdravlje školaraca: problemi i rješenja

Kada se tinejdžer bavi sportom, pretreniranost se ne smije dopustiti. Umor nakon teške tjelesne aktivnosti očituje se bezvoljnošću i bolovima u mišićima. Roditelji bi trebali kontrolirati vrijeme bavljenja sportom...

Informacijski sistem Stanice

Genetske informacije su kodirane u DNK. Genetski kod su razjasnili M. Nirenberg i H.G. Kuran, za što su i nagrađeni Nobelova nagrada 1968. godine. Genetski kod je sustav za raspored nukleotida u molekulama nukleinskih kiselina...

Kodiranje i implementacija bioloških informacija u stanici, genetski kod i njegova svojstva

Posrednik u prijenosu genetske informacije (redoslijed nukleotida) od DNA do proteina je mRNA (messenger RNA)...

Meiobentos makrofitskih šikara obalne zone zaljeva Novorossiysk

Postoji dosta radova koji opisuju obrasce prostorne distribucije mejobentoskih organizama - posljednjih desetljeća ovo je jedno od najpopularnijih područja istraživanja...

Membranski potencijal

Godine 1890. Wilhelm Ostwald, koji je radio na polupropusnim umjetnim filmovima, sugerirao je da bi polupropusnost mogla biti uzrok ne samo osmoze, već i električnih fenomena. Tada nastaje osmoza...

Mikrobiologija ribe i proizvoda od ribe

Mikrobiološka ocjena vode daje se na temelju određivanja mikrobnog broja QMAFAnM; ako - titra; ako - indeks; prisutnost patogenih mikroorganizama. Prve dvije analize provode se kontinuirano...

Molekularno genetička razina živih struktura

Čini se da činjenica da su geni smješteni na kromosomima nije u skladu s činjenicom da ljudi imaju samo 23 para kromosoma, a opet tisuće različitih osobina koje moraju odgovarati tisućama različitih gena. Samo neki znakovi...

Spheroceridne muhe (Diptera, Sphaeroceridae) rezervata prirode Kamyshanova Polyana

Na području rezervata Kamyshanova Polyana jasno se razlikuju sljedeće vrste biotopa: šuma, livada, razne vodene, kao i rubne formacije ...

Biotehnološki objekti u prehrambenoj industriji

Metabolizam, ili metabolizam, prirodni je poredak pretvorbe tvari i energije u živim sustavima koji je u osnovi života, usmjeren na njihovo očuvanje i samoreprodukciju; ukupnost svih kemijskih reakcija koje se odvijaju u tijelu...

Koncept ćelije

17. stoljeće 1665. - engleski fizičar R. Hooke u svom djelu "Mikrografija" opisuje strukturu pluta, na čijim je tankim dijelovima pronašao pravilno smještene praznine. Hooke je ove praznine nazvao "porama ili stanicama"...

Uloga mitohondrija u apoptozi

Fiziologija stanične ekscitacije

· Nastanak stanične ekscitacije posljedica je upravo transporta iona. Bilipidni sloj stanična membrana nepropusni za ione (Na, K, Cl), ionski kanali - posebni integralni proteini - namijenjeni su njihovom transportu u i iz stanice...

Kemijski sastav stanice

Svi živi organizmi sposobni su izmjenjivati tvari s okolinom. U stanicama se kontinuirano odvijaju procesi biološke sinteze, odnosno biosinteze...

Sat traje 80-90 minuta. Tema lekcije omogućuje učenicima da pokažu međusobnu povezanost predmeta poput biologije, geografije, kemije i fizike. U zagradama su mogući odgovori na pitanja koja bih želio dobiti od učenika.

Ciljevi: upoznavanje učenika s podacima o sadržaju vode u stanicama različitih tkiva i metabolizmu vode u različitim organizmima, sa suvremenim predodžbama o građi i svojstvima vode, njezinim biološkim funkcijama; poboljšanje vještina logičkog mišljenja.

Oprema: fizička karta Zemlje, epruvete, čaše, kapilare; sol, etilni alkohol, saharoza, biljno ulje, parafin, bjelanjak, želučani sok, led; referentne knjige iz fizike i kemije.

Organiziranje vremena

Učitelj informira učenike o temi i ciljevima sata te redoslijedu njegove provedbe.

Provjera znanja studenti na temu “Elementni i kemijski (molekularni) sastav stanice.” Tri učenika rade za pločom, ostali (prema mogućnostima) rade s karticama.

Rad za pločom

1. Na ploči je napisan popis elemenata: F, Zn, N, Ca, J, Cl, Na, H, Mn, Cu, P, C, K, Fe, O, Mg, Co od kojih treba odabrati organogene (biogene), makroelemente, mikroelemente. Označite njihov postotak u ćeliji.

(Odgovor učenika: a) organogene: N, H, C, O; b) makroelementi: Ca, Cl, Na, Mn, P, K, Fe, Mg; c) elementi u tragovima: F, Zn, J, Cu, Co).

2. Okarakterizirati organogene elemente. Objasnite zašto su se tijekom razvoja života na Zemlji ovi elementi pokazali "pogodnima" za kemiju života.

3. Zapišite na ploču podatke o kemijskom (molekularnom) sastavu stanice, navodeći postotak glavnih klasa tvari.

Rad s karticama

Odgovorite na pitanje pismeno.

Opcija 1. Kako nedostatak nekog od potrebnih elemenata (organogenih, makroelemenata, mikroelemenata) utječe na životnu aktivnost stanice ili organizma? Kako bi se to moglo manifestirati? Navedite primjere.

opcija 2.Što se može zaključiti iz činjenice da stanice imaju sličan elementarni i kemijski (molekularni) sastav?

Opcija 3. Koliki je znanstveni značaj podataka o sličnostima i razlikama u elementarnom sastavu (kvalitativnom i kvantitativnom) živih i nežive prirode?

Učenje novog gradiva

Sadržaj vode u stanicama i organizmima

1. Pročitajte poetske retke Mihaila Dudnika i recite jesu li istiniti s biološkog stajališta. (Pjesma je napisana na ploči.)

Kažu da se čovjek sastoji od osamdeset posto vode,
Iz vode, mogao bih dodati, njegovih rodnih rijeka,
Od vode, dodaću, kiše koja ga je napojila,
Iz vode, mogao bih dodati, iz drevne vode, izvire.
Iz kojeg su pili njegovi djedovi i pradjedovi...

(Odgovor učenika. Pjesnički stihovi su točni, jer. više od 2/3 osobe sastoji se od vode.)

2. Gledajući fizička kartica, prisjetite se koliki je omjer kopnenih površina i oceana na našem planetu.

(Odgovor učenika. Svjetski oceani, tj. Voda koja okružuje kontinente i otoke zauzima oko 71% Zemljina površina.)

Komentar učitelja. Voda ne samo da pokriva najveći dio zemljine površine, već čini i većinu svih živih bića: mikroorganizama, biljaka, životinja, ljudi.

3. Je li voda važna u životu čovjeka?

(Odgovor učenika. Čovjek pije vodu, umiva se njome, koristi je u raznim djelatnostima, poljoprivreda. Sada mnoge zemlje diljem svijeta doživljavaju nestašice svježa voda, za njegovo dobivanje potrebno je izgraditi posebne tvornice i postrojenja za obradu.)

Komentar učitelja. Voda, tako poznata tvar, ima apsolutno nevjerojatna svojstva. Samo zahvaljujući tim svojstvima vode život na Zemlji postao je moguć. Kada se traga za životom na drugim planetima, jedno od najvažnijih pitanja je ima li tamo dovoljno vode. Jedinstvena vrijednost Vrijednost vode za biološke sustave određena je čak i jednostavno njezinim kvantitativnim sadržajem u živim organizmima.

4. Navedite primjere sadržaja vode u stanicama različitih organizama, njihovim tkivima i organima, koji su vam poznati iz kolegija botanike, zoologije, anatomije i fiziologije čovjeka.

(Odgovor učenika. Voda čini 80% stanične mase u tijelu mladog čovjeka ili životinje i 60% u stanicama starog. U stanicama mozga to je 85%, au stanicama embrija u razvoju – 90%. Ako osoba izgubi 20% vode, nastupa smrt. Istina, nemaju sve ljudske stanice tako visok sadržaj vode. Recimo da u stanicama zubne cakline ima samo 10–15%. U stanicama pulpe sočnog voća i lišća biljaka ima puno vode, ali je ima vrlo malo u stanicama suhih sjemenki ili spora biljaka i mikroorganizama, pa se mogu vrlo dugo čuvati. dok se ponovno ne zalijevaju u uvjetima pogodnim za njihovo klijanje.)

5. Što određuje razlike u sadržaju vode u stanicama?

(Odgovor učenika. Više vode ima u onim stanicama u kojima se metabolizam intenzivnije odvija.)

Ulazak vode u tijela životinja i biljaka

Na koje načine znate kako različiti organizmi dobivaju vodu?

(Odgovor učenika. Načini na koje voda ulazi u tijelo vrlo su raznoliki:

a) kroz površinu tijela - kod jednoćelijskih organizama, niže biljke, ličinke nekih kukaca, žaba, riba i drugih vodenih organizama;
b) s hranom i pićem – kod većine životinja;
c) postoje životinje koje gotovo ne piju ili piju vrlo malo. To je moguće zahvaljujući: metaboličkoj vodi, t.j. voda nastala u tijelu tijekom oksidacije, uglavnom, masti (s oksidacijom 1 g masti nastaje 1,1 g vode); ekonomično korištenje vode, što je u nekima osigurano prisutnošću vodonepropusnih poklopaca, u drugima - visokom koncentracijom urina (na primjer, kod deva, urin je 8 puta koncentriraniji od plazme); rezerve vode (na primjer, u ličinkama);
d) biljke upijaju vodu iz tla pomoću korijenovih dlačica;
d) neobične načine primaju vodu od: epifita - biljaka koje se naseljavaju uglavnom na deblima i granama drugog drveća - upijaju vodu iz zraka; mnoge kišobranke zadržavaju vlagu u čašičastim ovojnicama lišća, odakle se postupno upija kroz pokožicu.

Struktura molekula i svojstva vode

Brojne biološke funkcije koje voda obavlja osigurane su njezinim jedinstvenim svojstvima, a jedinstvena svojstva vode određena su strukturom njezine molekule.

1. Prisjetite se strukturnih značajki molekule vode koje su vam poznate iz kolegija kemije.

(Odgovor učenika. U molekuli vode (empirijska formula H 2 O) jedan atom kisika kovalentno je vezan na dva atoma vodika. Molekula ima oblik trokuta, na jednom od vrhova nalazi se atom kisika, a na druga dva - atom vodika.)

2. Kakva je priroda kovalentne veze između atoma kisika i atoma vodika?

(Odgovor učenika. Veza između atoma kisika i atoma vodika je polarna, jer Kisik privlači elektrone jače od vodika.)

Komentar učitelja. Dapače, atom kisika, zbog svoje veće elektronegativnosti, jače privlači elektrone od atoma vodika. Posljedica toga je polaritet molekule vode. Općenito, molekula vode je električki neutralna, ali je električni naboj unutar molekule raspoređen neravnomjerno, te u području vodikovih atoma prevladava pozitivan naboj, a u području gdje se nalazi kisik prevladava negativan naboj (sl. 1. ). Stoga je takva molekula električni dipol.

Riža. 1. Molekula vode u kojoj je jedan atom kisika kovalentno vezan na dva atoma vodika. Molekula je polarna

Negativno nabijeni atom kisika jedne molekule vode privlači pozitivno nabijene atome vodika druge dvije molekule, tako da molekule vode završavaju vezan prijatelj jedni s drugima preko vodikovih veza. Već ste upoznati s pojmom vodikove veze (slika 2).

Riža. 2. Vodikove veze (linije) između molekula vode; Atomi kisika (bijeli kružići) nose djelomične negativne naboje, pa stvaraju vodikove veze s atomima vodika (crni kružići) drugih molekula, koje nose djelomične pozitivne naboje

U tekućoj vodi te se slabe veze brzo stvaraju i jednako brzo se uništavaju nasumičnim sudarima molekula. Upravo zahvaljujući sposobnosti molekula vode da se međusobno vežu pomoću vodikovih veza, voda ima niz svojstava važnih za život.

Zadaci za grupe učenika

Razred je podijeljen u pet skupina od kojih svaka s unaprijed pripremljenim priborom radi prema kartici s uputama koja sadrži zadatak.

Zadatak grupi 1

Nudi vam se niz tvari: kuhinjska sol, etilni alkohol, saharoza, biljno ulje, parafin. Pokušajte otopiti ove tvari u vodi. Koje su od predloženih tvari topive u vodi, a koje ne? Pokušajte objasniti zašto se neke tvari mogu otopiti u vodi, a druge ne. Koje ste svojstvo vode upoznali?

Zadatak grupi 2

U epruvetu s bijelim listićima netopljivog bjelanjka dodajte želučani sok, zagrijan u vodenoj kupelji na 37 °C. Što promatraš? Do koje reakcije je došlo i zbog kojeg enzima u želučanom soku? Koje ste svojstvo vode upoznali?

Zadatak za 3. grupu

Stavite kockice leda u čašu vode. Što promatraš? Što možete reći o gustoći vode i leda? Specifične informacije o gustoći vode i leda mogu se dobiti iz Handbook of Elementary Physics (Enochovich). Koja ste svojstva vode upoznali?

Zadatak grupi 4

Znate da voda na temperaturi od 100 °C vrije i prelazi u stanje pare. Pomoću Priručnika za elementarnu fiziku usporedite vrelište vode s vrelištem drugih tekućina. Pokušajte objasniti svoje rezultate.

Zadatak za grupu 5

Pokušajte uliti vodu u čašu s otvorenim vrhom. Zašto je to moguće? Polako spustite staklenu cijev malog promjera u čašu vode. Što promatraš? Objasnite rezultate pokusa. Koje ste svojstvo vode upoznali?

Izvještaj 1. grupe

U vodi se otapaju sljedeće tvari: kuhinjska sol, etilni alkohol, saharoza (šećer od trske). Ne otapati: biljno ulje i parafin. Iz dobivenih rezultata možemo zaključiti da tvari s ionskim kemijska veza(kuhinjska sol), kao i neionski spojevi (šećeri, alkoholi), čije molekule vjerojatno sadrže nabijene (polarne) skupine, otapaju se u vodi. Voda je jedno od najuniverzalnijih otapala: u njoj se otapaju gotovo sve tvari, barem u tragovima.

Komentar učitelja. Ako je energija privlačenja između molekula vode i molekula tvari veća od energije privlačenja između molekula vode, tada se tvar otapa. Tvari topljive u vodi nazivamo hidrofilnim (soli, lužine, kiseline itd.). Nepolarni (bez naboja) spojevi praktički su netopljivi u vodi. Nazivaju se hidrofobnim (masti, tvari slične mastima, guma itd.).

Izvještaj 2. grupe

Netopljive pahuljice bjelanjaka otapaju se pod djelovanjem pepsina želučanog soka. Dolazi do reakcije enzimske hidrolize (razgradnje) proteina u aminokiseline uz dodatak molekule vode kada svaka peptidna veza. Slične reakcije javljaju se u gastrointestinalnom traktu ljudi i životinja:

Dakle, voda može ulaziti u kemijske reakcije, tj. je reagens.

Vitalna aktivnost biljnih stanica, tkiva i organa određena je prisutnošću vode. Voda je konstitucijska tvar. Određujući strukturu citoplazme stanica i njezinih organela, zbog polariteta molekula, otapalo je organskih i anorganski spojevi, uključen u metabolizam i djeluje kao pozadinsko okruženje u kojem se odvijaju svi biokemijski procesi. Lako prodirući kroz stanične membrane i membrane, voda slobodno cirkulira kroz biljku, osiguravajući prijenos tvari i time promičući jedinstvo metaboličkih procesa u tijelu. Zbog svoje visoke prozirnosti, voda ne ometa apsorpciju sunčeve energije pomoću klorofila.

Stanje vode u biljnim stanicama

Voda u stanici dolazi u nekoliko oblika koji su bitno različiti. Glavne su ustavna, solvatna, kapilarna i rezervna voda.

Neke od molekula vode koje ulaze u stanicu stvaraju vodikove veze s nizom molekularnih radikala organska tvar. Sljedeći radikali posebno lako tvore vodikove veze:

Ovaj oblik vode se obično naziva ustavna . Sadrži ga ćelija snage do 90 tisuća barela.

Zbog činjenice da su molekule vode dipoli, one tvore integralne agregate s nabijenim molekulama organskih tvari. Takva voda, vezana za molekule organskih tvari u citoplazmi silama električnog privlačenja, naziva se solvat . Ovisno o vrsti biljne stanice, udio solvatne vode iznosi od 4 do 50% njezine ukupne količine. Solvatna voda, kao i konstitucionalna voda, nema mobilnost i nije otapalo.

Značajan dio vode u stanici je kapilarna , budući da se nalazi u šupljinama između makromolekula. Solvat i kapilarnu vodu stanica drži silom koja se naziva matrični potencijal. Jednako je 15-150 bara.

rezerva zove voda koja se nalazi unutar vakuola. Sadržaj vakuola je otopina šećera, soli i niza drugih tvari. Stoga stanica zadržava pričuvnu vodu snagom koja je određena veličinom osmotskog potencijala vakuolnog sadržaja.

Apsorpcija vode biljnim stanicama

Budući da u stanicama nema aktivnih prijenosnika za molekule vode, njezino kretanje u i iz stanica, kao i između susjednih stanica, odvija se samo prema zakonima difuzije. Stoga su gradijenti koncentracije otopljene tvari glavni pokretači molekula vode.

Biljne stanice, ovisno o svojoj starosti i stanju, apsorbiraju vodu pomoću sekvencijalne aktivacije tri mehanizma: imbibicije, solvatacije i osmoze.

Imbibicija . Kad sjeme proklija, počinje apsorbirati vodu putem mehanizma imbibicije. U tom se slučaju popunjavaju prazne vodikove veze organskih tvari protoplasta, a voda aktivno dolazi iz okoliš u kavez. U usporedbi s drugim silama koje djeluju u stanicama, imbibicijske sile su kolosalne. Za neke vodikove veze one dosežu vrijednost od 90 tisuća barela. U tom slučaju sjeme može nabubriti i proklijati u relativno suhim tlima. Nakon što se popune sve slobodne vodikove veze, imbibicija prestaje i aktivira se sljedeći mehanizam apsorpcije vode.

Solvatacija . Tijekom procesa solvatacije dolazi do apsorpcije vode izgradnjom hidratacijskih slojeva oko molekula organskih tvari protoplasta. Ukupni sadržaj vode u stanici nastavlja rasti. Intenzitet solvatacije bitno ovisi o kemijski sastav protoplast. Što je više hidrofilnih tvari u stanici, to se potpunije koriste sile solvatacije. Hidrofilnost se smanjuje redom: bjelančevine -> ugljikohidrati -> masti. Dakle, najveću količinu vode po jedinici mase otapanjem apsorbiraju sjemenke bjelančevina (grašak, bob, bob), međukoličinu apsorbira škrob (pšenica, raž), a najmanju količinu apsorbiraju uljarice (lan, suncokret). ).

Sile solvatacije su slabije u snazi od sila imbibicije, ali su još uvijek prilično značajne i dosežu 100 bara. Do kraja procesa solvatacije, sadržaj vode u stanici je toliko velik da kapilarna vlaga nestaje i počinju se pojavljivati vakuole. Međutim, od trenutka njihovog nastanka otapanje prestaje, a daljnja apsorpcija vode moguća je samo zahvaljujući osmotskom mehanizmu.

Osmoza . Osmotski mehanizam apsorpcije vode djeluje samo u stanicama koje imaju vakuolu. Smjer kretanja vode određen je omjerom osmotskih potencijala otopina uključenih u osmotski sustav.

Osmotski potencijal staničnog soka označava se sa R, određuje se formulom:

R = iRCT,

Gdje R - osmotski potencijal staničnog soka

R- plinska konstanta jednaka 0,0821;

T - temperatura na Kelvinovoj skali;

ja- izotonični koeficijent, koji pokazuje prirodu elektrolitičke disocijacije otopljenih tvari.

Sam izotonični koeficijent je jednak

I= 1 + α ( n + 1),

gdje je α - stupanj elektrolitičke disocijacije;

P - broj iona na koje molekula disocira. Za neelektrolite P = 1.

Osmotski potencijal otopine tla obično se označava grčkim slovom π.

Molekule vode uvijek se kreću iz okoline s nižim osmotskim potencijalom u okolinu s višim osmotskim potencijalom. Dakle, ako je stanica u zemljišnoj (vanjskoj) otopini na P>π, tada voda ulazi u stanice. Dotok vode u stanicu prestaje kada su osmotski potencijali potpuno izjednačeni (vakuolni sok na ulazu u apsorpciju vode je razrijeđen) ili kada stanična membrana dosegne granice rastezljivosti.

Dakle, stanice dobivaju vodu iz okoline samo pod jednim uvjetom: osmotski potencijal staničnog soka mora biti veći od osmotskog potencijala okolne otopine.

Ako R< π, dolazi do istjecanja vode iz ćelije u vanjsku otopinu. Tijekom gubitka vode, volumen protoplasta postupno se smanjuje, odmiče se od ljuske, au stanici se pojavljuju male šupljine. Ovo stanje se zove Plazmoliza . Faze plazmolize prikazane su na sl. 3.18.

Ako omjer osmotskih potencijala odgovara uvjetu P = π, uopće ne dolazi do difuzije molekula vode.

Velika količina činjeničnog materijala pokazuje da osmotski potencijal soka biljnih stanica varira u prilično širokim granicama. U poljoprivrednim biljkama, u stanicama korijena obično leži u amplitudi od 5-10 bara, u stanicama lista može porasti do 40 bara, au stanicama voća - do 50 bara. U slanim biljkama osmotski potencijal staničnog soka doseže 100 bara.

Riža. 3.18.

A - stanica u stanju turgora; B - kut; B - konkavan; G - konveksan; D - konvulzivno; E - kapa. 1 - školjka; 2 - vakuola; 3 - citoplazma; 4 - jezgra; 5 - Hecht niti