Строение, свойства и функции воды

Внимание! Предварительный просмотр слайдов используется исключительно в ознакомительных целях и может не давать представления о всех возможностях презентации. Если вас заинтересовала данная работа, пожалуйста, загрузите полную версию.

Цель урока: сформировать представление о целостной картине мира на примере вещества воды, осуществив интеграцию знаний учащихся, полученных в курсах физики, химии и биологии.

Задачи урока:

1. Образовательные: усвоение всеми учащимися стандартного минимума фактических сведений о строении и функциях воды на всех уровнях организации живого.
2. Развивающие: совершенствование надпредметных умений сравнивать и анализировать, устанавливать причинно-следственные связи; переводить информацию в графический вид (таблицу), постановки и решения проблем; оперировать понятиями и связывать с ранее полученными знаниями в курсах ботаники, зоологии, анатомии; рассуждать по аналогии, развивать память, произвольное внимание.
3. Воспитательные: развивать интерес к окружающим явлениям, умение работать в парах и в коллективе, вести диалог, слушать товарищей, оценивать себя и других, формировать культуру речи.

Планируемые результаты: умение характеризовать функции вещества на основе строения и свойств; обобщение полученных знаний о функциях воды на разных уровнях организации живого в форме таблицы.

Тип урока: изучение нового материала и первичное закрепление знаний.

Методы обучения: беседа, рассказ учителя, показ иллюстраций, презентации, индивидуальная работа с текстом, контроль знаний.

Формы организации учебной деятельности: работа в парах (составление обобщающей таблицы), индивидуальная, фронтальная, эксперимент.

Оборудование: фотографии, компьютер, мультимедийный проектор, на столах учащихся раздаточный материал для урока, демонстрационные опыты.

Ход урока

Организационный момент (2 мин.): поздороваться, представиться детям.

Введение (5 мин.):

Вода – самое распространенное и удивительное на Земле вещество (например, расширяется при охлаждении, замерзает уже при 0 ⁰

С, кипит при 100 ⁰С, выполняет множество функций и даже может хранить информацию). Ею заполнены океаны, моря, озера и реки; пары воды входят и в состав воздуха. Вода содержится в клетках всех живых организмов (животных, растений, грибов, бактерий) в значительных количествах: организме млекопитающих массовая доля воды составляет примерно 70%, а в огурцах и арбузах ее около 90%, в костях человека – 45 %, а в мозге до 90 %.

Цели урока: почему воды больше всего в составе живых организмов? Почему вода покрывает большую часть суши? Как вода сохраняет информацию? На эти вопросы нам с вами предстоит ответить в конце урока.

Как будем работать:

беседуем, я рассказываю, показываю иллюстрации и схемы (Презентация), в процессе объяснения заполняем пропущенные слова в распечатках (Приложение 1). В конце урока я проконтролирую, как вы меня поняли. Мы заполним обобщающую таблицу, а я оценю ваши старания.

Демонстрационные опыты:

Опыт № 1:

Цель опыта: доказать растворимость веществ в воде.

Ход опыта: насыпать в колбу с водой соль или сахар. Размешать.

Результат: соль (сахар) полностью растворились.

Вывод: вода – хороший растворитель.

Опыт № 2

Цель опыта: доказать способность воды передвигаться по сосудам стебля за счет корневого давления и присасывающей силы испарения.

Ход опыта: поставить на сутки укоренившийся побег бальзамина в раствор чернил.

Результат: стебель и некоторые листья бальзамина окрасились в синий цвет.

Вывод: вода передвигается по сосудам стебля за счет сил сцепления между молекулами при помощи корневого давления и присасывающей силы испарения..

Опыт № 3:

Цель опыта: доказать способность воды двигаться в область меньшей концентрации растворителя.

Ход опыта: в две чашки Петри поместить одинаковые кусочки картофеля. В одну чашку налить воду, в другую – концентрированный раствор соли.

Результат: картофель в простой воде набух, а в концентрированном растворе соли сморщился.

Вывод: молекулы воды двигаются в область меньшей концентрации растворителя.

Объяснение нового материала (20 мин.):

Проводится в форме беседы. Изучаем вещества по определенному плану (пишу на доске): строение – свойства – функции на системных уровнях организации живого.

Строение молекулы и межмолекулярные связи	Свойства
Молекула воды имеет угловую форму: атомы водорода по отношению к кислороду образуют угол, равный примерно 105 0. Поэтому молекула воды – диполь: та часть молекулы, где находится водород, заряжена положительно, а часть, где находится кислород – отрицательно.	Вода – хороший растворитель. Растворы образуются путем взаимодействия растворенного вещества с частицами растворителя. Процесс растворения твердых веществ в жидкостях можно представить так: под влиянием растворителя от поверхности твердого вещества постепенно отрываются отдельные ионы или молекулы и равномерно распределяются по всему объему растворителя. Опыты № 1 и № 3
	Вода – реагент в реакциях гидролиза (разрушение сложных химических веществ под действием воды до более простых с новыми свойствами) и ряде других реакций ферменты                                                 крахмал + вода      →    глюкоза
Водородные связи между молекулами воды	Растворы ряда веществ образуются за счет водородных связей между веществом и молекулами растворителя (сахара, газы)
Водородных связей  много, поэтому необходимо много энергии для их разрыва.	Вода обладает хорошей теплопроводностью и большой теплоемкостью. Вода медленно нагревается и медленно остывает.
Водородные связи слабые	Молекулы воды подвижны относительно друг друга
Силы межмолекулярного сцепления образуют пространства между молекулами	Вода практически не сжимается
Образование водородных связей между молекулами воды и других веществ	Вода характеризуется оптимальным для биологических систем значением силы поверхностного натяжения, текучесть воды         Опыт № 2
Вода замерзает при 0 0С, при замерзании образуется много водородных связей, возникают пространства между молекулами Схема строения льда:  пространства              между молекулами	Максимальная плотность воды при 4 С° равна 1 г/см3, лед  имеет меньшую плотность, и всплывает на ее поверхность.

Функции на системных уровнях организации живого
Вода обеспечивает диффузию  — пассивный транспорт веществ в клетку и из нее в область меньшей концентрации (осмос)  и пиноцитоз, а также транспорт веществ из клетки. Когда вещество переходит в раствор, его молекулы или ионы могут двигаться более свободно, и, следовательно, реакционная способность вещества возрастает. Образовавшиеся в результате распада веществ ионы быстро вступают в химические реакции, поэтому вода – основная среда всех биохимических процессов в организме (реакциях обмена веществ).
Обеспечивает подготовительный этап окисления полимеров: гидролиз крахмала до глюкозы, белков до аминокислот. Вода – источник кислорода, выделяемого при фотосинтезе, и водорода, который используется для восстановления продуктов ассимиляции углекислого газа. Эндогенная вода, образующаяся при окислении органических веществ.
Гидрофильные вещества проникают внутрь клетки. Гидрофобные вещества (белки, липиды) могут образовывать с водой поверхности раздела, на которых протекают многие химические реакции. Из гидрофобных веществ состоит клеточная мембрана, которая сохраняет целостность клетки, но избирательно пропускает вещества; жироподобными веществами из копчиковой железы птицы смазывают перья. Растворяя газы, вода обеспечивает возможность дыхания и фотосинтеза организмов водных экосистем. А сероводород, образующийся при разложении остатков организмов, делает водоем безжизненным.
Вода – терморегулятор. 1) Вода обеспечивает равномерное распределение тепла по всему организму. При изменении температуры окружающей среды, внутри клетки температура оказывается неизменной или ее колебания оказываются значительно меньшими, чем в окружающей среде, поэтому вода обеспечивает сохранение структуры клетки (чем активнее клетка, тем больше в ней воды). 2) Охлаждение организма (потоиспарение, испарение воды растениями) происходит при участии воды. 3) Вода – благоприятная среда обитания для многих живых организмов (непосредственно водная и полости, заполненные водой, в почве). 4) Водные бассейны регулируют температуру на нашей планете. Большая теплоемкость определяет климатическую роль океанов. Поэтому морской климат мягче континентального, погода подвержена меньшим колебаниям температуры
«Смазочный материал» в суставах, плевральной полости и околосердечной сумке.
Создается тургорное давление, которое определяет объем и упругость клеток и тканей. Гидростатический скелет поддерживает форму у круглых червей, медуз и других организмов. Околоплодный пузырь с жидкостью поддерживает и защищает плод млекопитающих.
Капиллярный кровоток, движение веществ в капиллярах почвы, восходящий и нисходящий ток растворов в растениях. Поверхностное натяжение воды образует пленку – часть среды обитания некоторых животных (клоп-водомерка, личинки комаров).
Лед защищает водоемы от промерзания. Обитатели водных экосистем остаются активными в зимний период.

Вода может хранить информацию (Приложение 2).

Закрепление (13 мин.):

Биологические задачи:

1. Показать синюю или зеленую хризантему. Как создают такие растения? Являются ли они результатом селекционной работы?
2. Почему кожа на пальцах при длительном купании сморщивается?
3. Почему сморщивается яблоко, лежащее в тепле?

     Разделить класс на три группы (по рядам). Первая группа выписывает в тетрадь функции воды на уровне живой клетки. Вторая группа – на уровне живого организма. Третья группа – на уровне экосистем и биосферы. В конце работы оценить себя по количеству найденных функций. Работа ведется по парам.

Функции воды

В живой клетке	В живом организме	В экосистемах и биосфере
1. Транспорт веществ в клетке.	1. Охлаждение организмов.	1. Дыхание и фотосинтез водных организмов.
2. Основная среда всех биохимических процессов.	2. «Смазочный материал» в суставе, плевральной полости, околосердечной сумке, глазном яблоке.	2. Регуляция температуры на планете.
3. Участвует в ряде химических реакций.	3. Гидростатический скелет.	3. Благоприятная среда обитания для живых организмов.
4. Сохранение структуры клетки.	4. Защита плода млекопитающих.	4. Защита водоемов от промерзания.
5. Тургорное давление.	5. Капиллярный кровоток, нисходящий и восходящий ток в растениях.	5. Часть среды обитания животных.
		6.  Подъем почвенных растворов по капиллярам почвы.

Подведение итогов урока, оценка работы (2 мин.)

Словарик (Приложение 2)

Биологическая роль воды, биологическое значение воды

Введение

Организм человека почти на 70% состоит из воды. Вода — прежде всего растворитель, в среде которого протекают все элементарные акты жизнедеятельности. К тому же вода — продукт и субстрат энергетического метаболизма в живой клетке. Образно говоря, вода — это арена, на которой разыгрывается действие жизни и участник основных биохимических превращений.

Известно что вода присутствует во всех частях нашего организма, хотя например в коре мозга её 85%, в коже 72%, в зубной эмали всего лишь3%. Это свидетельствует о том, что в наиболее интенсивно работающих органах содержится большее число воды.

Некоторая часть воды в организме может более или менее прочно связываться с растворёнными в ней веществами и с поверхностью биополимерных макромолекул с помощью как водородных связей, так и сил ион-дипольного взаимодействия. Это может приводить к заметному изменению конфигурации, эффективных размеров и весов тех или иных частиц, участвующих в реакции, и в некоторых случаях к существенной модификации их свойств. Например, оказывается, что натриевые каналы нервных клеток, имеющие диаметр около 0,5 нм, практически недоступны для прохождения по ним ионов калия, хотя диаметр самого иона K+ равен 0,26 нм. В действительности ион K+ гидратирован и, следовательно, для расчёта его эффективных размеров к диаметру K+ следует прибавить диаметр молекулы воды 0,28 нм. В итоге комплексный ион [K· h3O]+ диаметром почти 0,6 нм сквозь натриевый канал пройти не может, тогда как гидратированный ион [Na· h3O]+ диаметром около 0,47 нм свободно диффундирует через этот канал.

Другим примером изменения размеров биологического субстрата может быть молекула ДНК. В частности известно, что на каждый нуклеотид макромолекулы приходится около 50 молекул воды, связанных с ДНК. В общей сложности водная плёнка ДНК увеличивает эффективный диаметр цилиндрической макромолекулы ДНК с 2 нм в безводном состоянии до 2,9 нм в водном растворе, что чрезвычайно важно, например, при считывании с неё информации.

Строение воды

Вода — уникальное вещество и все её аномальные свойства: высокая температура кипения, значительная растворяющая и диссоциирующая способность, малая теплопроводность, высокая теплота испарения и другие обусловлены строением её молекулы и пространственной структурой.

У отдельно взятой молекулы воды есть качество, которое проявляется только в присутствии других молекул: способность образовывать водородные мостики между атомами кислорода двух оказавшихся рядом молекул, так, что атом водорода располагается на отрезке, соединяющем атомы кислорода. Свойство образовывать такие мостики обусловлено наличием особого межмолекулярного взаимодействия, в котором существенную роль играет атом водорода. Это взаимодействие называется водородной связью.

Каждая из присоединённых к данной молекул воды сама способна к присоединению дальнейших молекул. Этот процесс можно называть «полимеризацией». Если только одна из двух возможных связей участвует в присоединении следующей молекулы, а другая остаётся вакантной, то «полимеризация» приведёт к образованию либо зигзагообразной цепи, либо замкнутого кольца. Наименьшее кольцо, по-видимому, может состоять из четырёх молекул, но величина угла 90° делает водородные связи крайне напряжёнными. Практически ненапряжёнными должны быть пятизвенные кольца (угол 108° ), а шестизвенные (угол 120° ), также как и семизвенные — напряжённые.

Рассмотрение реальных структур гидратов показывает, что, действительно, наиболее устойчиво шестизвенное кольцо, находимое в структурах льдов. Плоские кольца являются привилегией клатратных гидратов, причём во всех известных структурах чаще всего встречаются плоские пятизвенные кольца из молекул воды. Они, как правило, чередуются во всех структурах клатратных гидратов с шестизвенными кольцами, очень редко с четырёхзвенными, а в одном случае — с плоским семизвенным.

В целом структура воды представляется как смесь всевозможных гидратных структур, которые могут в ней образоваться.

В прикладном аспекте это, например, имеет важное значение для понимания действия лекарственных веществ. Как было показано Л. Полингом структурированная клатратная форма воды в межсинаптических образованиях мозга обеспечивает, с одной стороны, передачу импульсов с нейрона на нейрон, а, с другой стороны при попадании в эти участки наркозного вещества такая передача нарушается, то есть наблюдается явление наркоза. Гидратация некоторых структур мозга является одной из основ реализации действия наркотических анальгетиков (морфина).

Биологическое значение воды

Вода как растворитель. Вода — превосходный растворитель для полярных веществ. К ним относятся ионные соединения, такие как соли, у которых заряженные частицы (ионы) диссоцииируют в воде, когда вещество растворяется, а также некоторые неионные соединения, например сахара и простые спирты, в молекуле которых присутствуют заряженные (полярные) группы (-OH).

Результаты многочисленных исследований строения растворов электролитов свидетельствуют, что при гидратации ионов в водных растворах основную роль играет ближняя гидратация — взаимодействие ионов с ближайшими к ним молекулами воды. Большой интерес представляет выяснение индивидуальных характеристик ближней гидратации различных ионов, как степени связывания молекул воды в гидратных оболочках, так и степени искажения в этих оболочках тетраэдрической льдоподобной структуры чистой воды — связи в молекуле изменяются на неполный угол. Величина угла зависит от иона.

Когда вещество растворяется, его молекулы или ионы получают возможность двигаться более свободно и, соответственно, его реакционная способность возрастает. По этой причине в клетке большая часть химических реакций протекает в водных растворах. Неполярные вещества, например липиды, не смешиваются с водой и потому могут разделять водные растворы на отдельные компартаменты, подобно тому, как их разделяют мембраны. Неполярные части молекул отталкиваются водой и в её присутствии притягиваются друг к другу, как это бывает, например, когда капельки масла сливаются в более крупные капли; иначе говоря, неполярные молекулы гидрофобны. Подобные гидрофобные взаимодействия играют важную роль в обеспечении стабильности мембран, а также многих белковых молекул, нуклеиновых кислот и других субклеточных структур.

Присущие воде свойства растворителя означают также, что вода служит средой для транспорта различных веществ. Эту роль она выполняет в крови, в лимфатической и экскреторных системах, в пищеварительном тракте и во флоэме и ксилеме растений.

Большая теплоёмкость. Удельной теплоёмкостью воды называют количество теплоты в джоулях, которое необходимо, чтобы поднять температуру 1 кг воды на 1° C. Вода обладает большой теплоёмкостью (4,184 Дж/г). Это значит, что существенное увеличение тепловой энергии вызывает лишь сравнительно небольшое повышение её температуры. Объясняется такое явление тем, что значительная часть этой энергии расходуется на разрыв водородных связей, ограничивающих подвижность молекул воды.

Большая теплоёмкость воды сводит к минимуму происходящие в ней температурные изменения. Благодаря этому биохимические процессы протекают в меньшем интервале температур, с более постоянной скоростью и опасность нарушения этих процессов от резких отклонений температуры грозит им не столь сильно. Вода служит для многих клеток и организмов средой обитания, для которой характерно довольно значительное постоянство условий.

Большая теплота испарения. Скрытая теплота испарения есть мера количества тепловой энергии, которую необходимо сообщить жидкости для её перехода в пар, то есть для преодоления сил молекулярного сцепления в жидкости. Испарение воды требует довольно значительных количеств энергии (2494 Дж/г). Это объясняется существованием водородных связей между молекулами воды. Именно в силу этого температура кипения воды — вещества со столь малыми молекулами — необычно высока.

Энергия, необходимая молекулам воды для испарения, черпается из их окружения. Таким образом, испарение сопровождается охлаждением. Это явление используется у животных при потоотделении, при тепловой одышке у млекопитающих или у некоторых рептилий (например, у крокодилов), которые на солнцепёке сидят с открытым ртом; возможно, оно играет заметную роль и в охлаждении транспирирующих листьев.

Большая теплота плавления. Скрытая теплота плавления есть мера тепловой энергии, необходимой для расплавления твёрдого вещества (льда). Воде для плавления (таяния) необходимо сравнительно большое количество энергии. Справедливо и обратное: при замерзании вода должна отдать большое количество тепловой энергии. Это уменьшает вероятность замерзания содержимого клеток и окружающей их жидкости. Кристаллы льда особенно губительны для живого, когда они образуются внутри клеток.

Плотность и поведение воды вблизи точки замерзания. Плотность воды (максимальна при +4° С) от +4 до 0° С понижается, поэтому лёд легче воды и в воде не тонет. Вода — единственное вещество, обладающее в жидком состоянии большей плотностью, чем в твёрдом, так как структура льда более рыхлая, чем структура жидкой воды.

Поскольку лёд плавает в воде, он образуется при замерзании сначала на её поверхности и лишь под конец в придонных слоях. Если бы замерзание прудов шло в обратном порядке, снизу вверх, то в областях с умеренным или холодным климатом жизнь в пресноводных водоёмах вообще не могла бы существовать. То обстоятельство, что слои воды, температура которых упала ниже 4° С, поднимаются вверх, обусловливает перемешивание воды в больших водоёмах. Вместе с водой циркулируют и находящиеся в ней питательные вещества, благодаря чему водоёмы заселяются живыми организмами на большую глубину.

После проведения ряда экспериментов было установлено, что связанная вода при температуре ниже точки замерзания не переходит в кристаллическую решётку льда. Это энергетически невыгодно, так как вода достаточно прочно связана с гидрофильными участками растворённых молекул. Это находит применение в криомедицине.

Большое поверхностное натяжение и когезия. Когезия — это сцепление молекул физического тела друг с другом под действием сил притяжения. На поверхности жидкости существует поверхностное натяжение — результат действующих между молекулами сил когезии, направленных внутрь. Благодаря поверхностному натяжению жидкость стремится принять такую форму, чтобы площадь её поверхности была минимальной (в идеале — форму шара). Из всех жидкостей самое большое поверхностное натяжение у воды (7,6 · 10-4 Н/м). Значительная когезия, характерная для молекул воды, играет важную роль в живых клетках, а также при движении воды по сосудам ксилемы в растениях. Многие мелкие организмы извлекают для себя пользу из поверхностного натяжения: оно позволяет им удерживаться на воде или скользить по её поверхности.

Вода как реагент. Биологическое значение воды определяется и тем, что она представляет собой один из необходимых метаболитов, то есть участвует в метаболических реакциях. Вода используется, например, в качестве источника водорода в процессе фотосинтеза, а также участвует в реакциях гидролиза.

Особенности талой воды

Уже небольшое нагревание (до 50-60° С) приводит к денатурации белков и прекращает функционирование живых систем. Между тем охлаждение до полного замерзания и даже до абсолютного нуля не приводит к денатурации и не нарушает конфигурацию системы биомолекул, так что жизненная функция после оттаивания сохраняется. Это положение очень важно для консервирования органов и тканей предназначенных для пересадки. Как указывалось выше, вода в твёрдом состоянии имеет другую упорядоченность молекул, чем в жидком и после замерзания и оттаивания приобретает несколько иные биологические свойства, что послужило причиной применения талой воды с лечебной целью. После оттаивания вода имеет более упорядоченную структуру, с зародышами клатратов льда что позволяет ей взаимодействовать с биологическими компонентами и растворёнными веществами, например с другой скоростью. При употреблении талой воды в оганизм попадают мелкие центры льдоподобной структуры, которые в дальнейшем могут разрастись и перевести воду во льдоподобное состояние и тем самым произвести оздоравливающее действие.

Информационная роль воды

При взаимодействии молекул воды со структурными компонентами клетки могут образовываться не только вышеописанные пяти-, шести- и т. д. компонентные структуры, но и трёхмерные образования могут образовываться додекаэдральные формы, которые могут обладать способностью к образованию цепочечных структур, связанных общими пятиугольными сторонами. Подобные цепочки могут существовать и в виде спиралей, что делает возможным реализацию механизма протонной проводимости по этому универсальному токопроводу. Следует также учесть данные С. В. Зенина (1997 г.), что молекулы воды в таких образованиях могут взаимодействовать между собой по принципу зарядовой комплементарности, то есть посредством дальнего кулоновского взаимодействия без образования водородных связей между гранями элементов, что позволяет рассматривать структурированное состояние воды в виде исходной информационной матрицы. Такая объёмная структура имеет возможность переориентироваться, в результате чего происходит явление «памяти воды», так как в новом состоянии отражено кодирующее действие введённых веществ или других возмущающих факторов. Известно, что такие структуры существуют непродолжительное время, но в случае нахождения внутри додекаэдра кислорода или радикалов происходит стабилизация таких структур.

В прикладном аспекте возможности «памяти воды» и передачи информации посредством структурированной воды объясняют действие гомеопатических средств и акупунктурных воздействий.

Как уже говорилось, все вещества при растворении в воде образуют гидратные оболочки и поэтому каждой частице растворённого вещества соответствует конкретная структура гидратной оболочки. Встряхивание такого раствора приводит к схлопыванию микропузырьков с диссоциацией молекул воды и образованию протонов, стабилизирующих такую воду, которая приобретает излучательные свойства и свойства памяти, присущие растворённому веществу. При дальнейшем разведении этого раствора и встряхивании образуются всё более длинные цепи — спирали и в 12-сотенном разведении уже нет самого вещества, но сохраняется память о нём. Введение этой воды в организм передаёт эту информацию в структурированные компоненты воды биологических жидкостей, которая передаётся структурным компонентам клеток. Таким образом, гомеопатический препарат действует прежде всего информационно. Добавление спирта в процессе приготовления гомеопатического средства удлиняет устойчивость во времени структурированной воды.

Не исключено, что спиралеобразные цепи структурированной воды являются возможными компонентами переноса информации из биологически активных точек (точек акупунктуры) на структурные компоненты клеток определённых органов.

Список литературы

1. Садовничая Л. П. с соавт. Биофизическая химия, К.: Вища школа, 1986. — 271 с.
2. Габуда С. П. Связанная вода. Факты и гипотезы, Новосибирск: Наука, 1982. — 159 с.
3. Сб. Структура и роль воды в живом организме, Л.: Изд. ЛГУ, 1966. — 208 с.
4. Бышевский А. Ш., Терсенов О. А. Биохимия для врача, Екатеринбург: изд. «Уральский рабочий», 1994. — 378 с.
5. Грин Н., Стаут У., Тейлор Д. Биология, т. 1.: Пер. с англ. — М.: Мир, 1993. — 368 с.
6. Чанг Р. Физическая химия с приложениями к биологическим системам М.: Мир, 1980. — 662 с.
7. Зенин С. В. Водная среда как информационная матрица биологических процессов. В кн. Тезисы докладов 1 Международного симпозиума, Пущино, 1997, с. 12-13.
8. Смит С. Электромагнитная биоинформация и вода. Вестник биофизической медицины, 1994 №1, с. 3-13.
9. Антонченко В. Я., Ильин В. В. Проблемные вопросы физики воды и гомеопатии. Вестник биофизической медицины, 1992 №1, с.11-13.

Вода и ее роль в жизнедеятельности клетки

• ГДЗ
• 1 Класс
  • Окружающий мир
• 2 Класс
  • Литература
  • Окружающий мир
• 3 Класс
  • Окружающий мир
• 4 Класс
  • Окружающий мир
• 5 Класс
  • Биология
  • История
  • География
  • Литература
  • Обществознание
  • Человек и мир
  • Технология
  • Естествознание
• 6 Класс
  • Биология
  • История
  • География
  • Литература
  • Обществознание
  • Технология
• 7 Класс
  • Биология
  • История
  • ОБЖ
  • География
  • Литература
  • Обществознание
• 8 Класс
  • Биология
  • История
  • География
  • Литература
  • Обществознание
• 9 Класс
  • Биология
  • История
  • География
  • Литература
  • Обществознание
• 10 Класс
  • Биология
  • История
  • География
  • Обществознание
• 11 Класс
  • Английский язык
  • Немецкий язык

Вопрос№30. Вода. Строение молекулы. Свойства воды. Роль воды в биологических объектах.

Вода – это самое распространенное в природе соединение. Ее молекула состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода.

Молекула воды образована по типу ковалентной полярной связи.

Вода – это бесцветная, прозрачная жидкость, без запаха и вкуса, температура кипения 100 ⁰С, температура замерзания 0 ⁰С, плотность 1г/см³.

Вода – это единственное соединение, которое в природных условиях существует в трех агрегатных состояниях: твердом (лед), жидком, газообразном (пар). Эти состояния взаимнопереходные.

Химические свойства:

1. Взаимодействие воды с активными металлами. Эти реакции относятся к ОВР. При комнатной температуре реагируют лишь наиболее активные – щелочные и щелочноземельные металлы:

2Na + 2H₂O = 2NaOH + H₂

2. Вода взаимодействует с растворимыми кислотными оксидами с образованием соответствующей кислоты:

3H₂O + P₂O₅ = 2H₃PO₄

3. При взаимодействии воды с оксидами щелочных и щелочноземельных металлов образуются растворимые или малорастворимые в воде гидроксиды:

Na₂O + H₂O = 2NaOH

CaO + H₂O = Ca(OH)₂

4. Вода взаимодействует со сложными веществами:

Ca₃P₂ + 3H₂O = 3CaO + 2PH₃

Содержание воды в пищевых продуктах колеблется в широких пределах: от 3-5% в сухом молоке до 95% в плодах и овощах. От содержания воды в пищевых продуктах зависят свойства и стойкость продуктов при хранении. Она является средой, в которой происходят физические и химические взаимодействия. Вода непосредственно участвует в биохимических реакциях и диффузионных процессах. Она может создавать условия, которые способствуют развитию микроорганизмов. Она влияет на физическое состояние продукта.

Свойства воды в продуктах и биологических объектах отличаются от обычной питьевой воды. Для описания состояния воды введены понятия свободная и связанная вода. Свободная вода характеризуется тем, что её образуют в продукте (биологическом объекте) структуру, близкую к структуре обычной питьевой воды. Связанная вода характеризуется тем, что её молекулы соединены с молекулами белков и других растворённых веществ, а так же с ионами или другими заряженными частицами. Её пространственная структура деформирована. Связанной воды в живых клетках больше, чем в мембранах, а в продуктах животного происхождения больше, чем в растительных.

Вопрос№31. Растворы. Их характеристика. Гидратная теория растворов. Сольваты и гидраты, кристаллогидраты. Роль водных растворов в биологических системах.

Раство́р — гомогенная (однородная) смесь, образованная не менее чем двумя компонентами, один из которых называется растворителем, а другой растворимым веществом, это также система переменного состава, находящаяся в состоянии химического равновесия. Химический раствор — это смесь одной или нескольких кислот с водой.

Раствор — однофазная система переменного состава, состоящая из двух или более компонентов. Растворы — гомогенные (однородные) системы, то есть каждый из компонентов распределён в массе другого в виде молекул, атомов или ионов.

Растворитель — компонент, агрегатное состояние которого не изменяется при образовании раствора. В случае же растворов, образующихся при смешении газа с газом, жидкости с жидкостью, твёрдого вещества с твёрдым, растворителем считается компонент, количество которого в растворе преобладает.

Образование того или иного типа раствора обусловливается интенсивностью межмолекулярного, межатомного, межионного или другого вида взаимодействия, то есть, теми же силами, которые определяют возникновение того или иного агрегатного состояния. Отличия: образование раствора зависит от характера и интенсивности взаимодействия частиц разных веществ.

По сравнению с индивидуальными веществами по структуре растворы сложнее.

Растворы бывают газовыми, жидкими и твёрдыми.

Гидраты — продукты присоединения воды к неорганическим и органическим веществам.

Этот термин раньше широко применялся для всех соединений, выделяющих воду при нагревании. Так NaOH называли гидратом окиси натрия. Однако сейчас гидратами называют только соединения, в которых молекула воды присутствует в виде отдельной структурной единицы. Джон Доу в своей книге «Гидраты природного газа» даёт следующее определение гидратов, которое применяется в нефтегазовой промышленности: «гидратами» называют вещества, которые при комнатной температуре обычно находятся в газообразном состоянии. В число таких веществ входят метан, этан, двуокись углерода и сероводород. Отсюда возник термин «газовые гидраты», а также одно из широко распространённых заблуждений, связанных с этим видом соединений. Многие ошибочно полагают, что неводные жидкости неспособны к гидратообразованию, однако на самом деле гидраты могут образовываться и другими жидкостями. В качестве примера вещества, которое при комнатных условиях находится в жидком состоянии, но всё же образует гидрат, можно назвать дихлордифторметан (фреон-12)». Причину образования гидратов Дж. Кэрролл объясняет так: «способность воды образовывать гидраты объясняется наличием в ней водородных связей. Водородная связь заставляет молекулы воды выстраиваться в геометрически правильные структуры. В присутствии молекул некоторых веществ эта упорядоченная структура стабилизируется и образуется смесь, выделяемая в виде твёрдого осадка. Молекулы воды в таких соединениях называются «хозяевами», а молекулы других веществ, стабилизируюшие кристаллическую решётку — «гостями» (гидратообразователями). Кристаллические решётки гидратов имеют сложное, трёхмерное строение, где молекулы воды образуют каркас, в полостях которого находятся заключённые молекулы-гости. Считается, что стабилизация кристаллической решётки в присутствии молекул-гостей обусловлена ван-дер-ваальсовыми силами, которые возникают из-за межмолекулярного притяжения, не связанного с электростатическим притяжением. Ещё одна интересная особенность газовых гидратов заключается в отсутствии связей между молекулами-гостями и хозяевами. Молекулы-гости могут свободно вращаться внутри решёток, образованных молекулами-хозяевами. Таким образом, данные соединения лучше всего описать как твёрдые растворы.

Кристаллогидраты — кристаллы, содержащие молекулы воды и образующиеся, если в кристаллической решётке катионы образуют более прочную связь с молекулами воды, чем связь между катионами и анионами в кристалле безводной соли. При низких температурах вода в кристаллогидратах может быть связана как с катионами, так и с анионам солей. Многие соли, а также кислоты и основания выпадают из водных растворов в виде кристаллогидратов.

Неорганические вещества клетки. Свойства воды

• ГДЗ
• 1 Класс
  • Окружающий мир
• 2 Класс
  • Литература
  • Окружающий мир
• 3 Класс
  • Окружающий мир
• 4 Класс
  • Окружающий мир
• 5 Класс
  • Биология
  • История
  • География
  • Литература
  • Обществознание
  • Человек и мир
  • Технология
  • Естествознание
• 6 Класс
  • Биология
  • История
  • География
  • Литература
  • Обществознание
  • Технология
• 7 Класс
  • Биология
  • История
  • ОБЖ
  • География
  • Литература
  • Обществознание
• 8 Класс
  • Биология
  • История
  • География
  • Литература
  • Обществознание
• 9 Класс
  • Биология
  • История
  • География
  • Литература
  • Обществознание
• 10 Класс
  • Биология
  • История
  • География
  • Обществознание
• 11 Класс
  • Английский язык
  • Немецкий язык

Особенности строения водорослей и их значение

Билет № 2

1. Раскройте особенности строения водорослей и их значение.

Водоросли относятся к низшим растениям, их организм — таллом, или слоевище, не имеет органов: корней, побега и др. — как у высших растений. Слоевище некоторых водорослей может иметь сложную форму, напоминающую корни, листья, но это чисто внешнее сходство, так как клетки водорослей не дифференцированы и не образуют ткани: проводящую, механическую и прочие, как у высших растений.

Водоросли являются эукариотами, их клетки имеют ядро. Этим они отличаются от цианобактерий (старое название — сине-зеленые водоросли), тоже способных к фотосинтезу, но не имеющих ядра и относящихся к прокариотам.

Одноклеточные зеленые водоросли: хламидомонада, хлорелла, — обитают в пресноводных водоемах. Их организм состоит из одной клетки, покрытой оболочкой из целлюлозы. У хламидомонады вытянутая обтекаемая форма тела, имеются два жгутика, с помощью которых водоросль активно передвигается в более освещенные места (светочувствительный глазок!). Хлорофилл, необходимый для фотосинтеза, содержится в хроматофоре чашевидной формы. Хлорелла не имеет жгутиков.

Нитчатые водоросли состоят из цепочек клеток, плавающих в толще воды (спирогира) или прикрепляющихся к камням, корягам и другим подводным предметам (улотрикс). Хроматофоры спирогиры имеют форму узких лент в форме спирали.

Бурые и красные водоросли обитают в морях на бо́льшей глубине, где меньше света, поэтому фотосинтез у них осуществляется с помощью других пигментов, придающих им бурую и красную окраску. Слоевище бурой водоросли ламинарии размером до 6 метров крепится к камням с помощью ризоидов, её тело напоминает стволик и длинные листья, но, как уже было сказано, это не настоящие органы, а выросты таллома.

Значение водорослей

• Водоросли в процессе фотосинтеза производят органические вещества и насыщают воду кислородом.
• Водоросли служат пищей рыбам (фитопланктон!) и другим водным организмам, дают им убежище.
• Человек использует водоросли в пищу (ламинария), на корм скоту и удобрение. В тех местностях, где наблюдается недостаток йода, водоросли, как и другие морские организмы, можно употреблять для пополнения запасов йода в организме (профилактика заболеваний щитовидной железы).
• Из красных водорослей получают вещество агар-агар, необходимое для производства мармелада, а также йод.
• Хламидомонада в темноте способна питаться растворенными в воде органическими веществами, всасывая их поверхностью клетки. Это способствует очищению воды.
• Водоросли могут создавать помеху судоходству, как, например, в Саргассовом море.
• Массовое размножение зеленых одноклеточных водорослей в реках и прудах («цветение» воды) может приводить к ухудшению качества воды, особенно после их гибели.
• Изучается возможность использования хлореллы для регенерации воздуха (и получения пищевых продуктов) на космических кораблях и подводных лодках.

автор: Владимир Соколов

Охарактеризуйте наиболее важные биологические функции воды. Как эти функции связаны со строением молекулы воды?

Вода в организме находится в трех состояниях:

1)Конституционная (прочно связанная) воды, входит в структуру белков, жиров, углеводов.

2) Слабосвязанная воды диффузионных слоев и внешних гидратных оболочек биомолекул.

3)Свободная, мобильная вода, является средой в которой растворяются электролиты и ниэлектролиты.

Функции:  

1.Участие в ферментативных реакциях гидролиза. Поэтому 

• катаболизм в клетке любых полимерных молекул (триацилглицеролов, гликогена) и получение из них энергии не может происходить без воды,

• переваривание пищевых веществ ухудшается в состоянии недостаточности воды.

2. Формирование клеточных мембран основано на способности фосфолипидов автоматически формировать полярную поверхность мембраны и гидрофобную внутреннюю фазу. Как следствие, при снижении объема внутри- и внеклеточной воды часть фосфолипидов оказывается «лишней» и происходит деформация мембран клеток.

3. Вода формирует гидратную оболочку вокруг молекул. Это обеспечивает

• растворимость веществ, в частности белков-ферментов, и должное взаимодействие их поверхностных гидрофильных аминокислот с окружающей водной средой. При уменьшении доли воды в среде взаимодействие ухудшается, изменяется конформация фермента и, значит, варьирует скорость ферментативных реакций,

• транспорт веществ в крови и в клетке.

4. Вода создает активный объем клетки и межклеточного пространства. Связывание воды с органическими структурами межклеточного матрикса – коллагеном, гиалуроновой кислотой, хондроитин-сульфатами  и другими соединениями обеспечивает упругость тканей. Наглядно это проявляется при крайнем обезвоживании организма, когда наблюдается спадение глазных яблок и неэластичность кожи.

5. Состояние жидких сред организма (кровь, лимфа, пот, моча, желчь) напрямую зависит от количества в них воды. Сгущение и концентрирование этих жидкостей приводит к снижению растворимости их компонентов – солей, органических веществ, и усилению кристаллообразования в моче и желчи.

Молекула воды представляет собой диполь

из-за неравномерности распределения электронной плотности валентных электронов молекула

неподелённые электронные пары кислорода позволяют Н₂О выступать в качестве лиганда с образованием комплексных соединений 

вода способна образовывать ассоциации за счет водородных связей

Вода в организме выполняет следующие биологические функции:

1. Растворитель биологических молекул.

2. Метаболическая – участие в биохимических реакциях (гидролиз, гидратация, дегидратация и др.).

3. Структурная – обеспечение структурной прослойки между полярными группами в биологических мембранах.

4. Механическая – способствует сохранению внутриклеточного давления, формы клеток (тургор).

5. Регулятор теплового баланса (сохранение, распределение, отдача тепла).

6. Транспортная – обеспечение переноса растворенных веществ.