Всем известно, что вода играет одну из самых ключевых ролей в жизнедеятельности человека и что без неё жизнь на Земле немыслима. Познавая мир и изучая различные науки, люди узнают, какова биологическая роль воды в клетке и настолько вода важна для функционирования любых организмов.
Вода (молекулярная формула Н2О) является самым распространённым веществом на земле. Она содержится практически везде в разных количествах. Например, в зубной эмали она занимает 10 %, а вот в развивающемся зародыше – больше 90 %. В человеческом теле содержится приблизительно 65% воды. Особенно насыщены ею ткани молодых организмов.
Так, в теле младенца содержится 70% жидкости. Существует даже гипотеза, согласно которой причиной старения считается неспособность белков в организме связывать большие объёмы воды. Все человеческие ткани и органы содержат жидкость. Даже в костях её наличие составляет приблизительно 20 %, а в мозге, печени и мышцах эта цифра увеличивается до 80%.
Одним из основных признаков жизни является обмен веществ. Все виды обмена – белковый, углеводный, жировой и другие – включают также и водный. Его суть заключается в процессе всасывания жидкости в кишечнике и желудке с последующим распределением её в тканях организма и выделением при помощи почек, кожи и лёгких.
Живые ткани состоят из клеток и межклеточных веществ, представляющих собой достаточно сложную систему, и в отдельных их частях содержится вода. Ведь она является отличным растворителем для большинства живых веществ, из которых состоит живой организм.
Благодаря ей во время водного обмена происходит процесс терморегуляции. Также с водой уходят ненужные и вредные продукты обмена.
Из вышесказанного можно сделать вывод, какова роль воды в клетке:
- Поддерживается упругость клетки. При потере клеткой жидкости, например, могут высохнуть плоды или завянут листья.
- Происходит перемещение веществ, в том числе удаляются ненужные элементы.
- Обеспечивается ускорение химических реакций благодаря растворению веществ в жидкости.
- Происходит растворение солей и сахаров.
- Благодаря способности воды медленно нагреваться и остывать она участвует в терморегуляции.
Свободная и связанная вода
Роль воды в жизни клетки, пожалуй, сложно переоценить. Причём при большей интенсивности обмена веществ количество жидкости увеличивается. Вода в клетке может быть связанной или свободной. Последняя содержится в вакуолях, пространствах между клетками, полостях различных органов, сосудах. Она необходима для того, чтобы переносить вещества в клетку и из неё во внешнюю среду.
Благодаря тому, что электроны в данной молекуле располагаются необычно, в ней существует некая электрическая асимметрия. Поскольку кислород является более электроотрицательным, он сильнее притягивает водород.
Вода как растворитель
Благодаря полярности молекул, а также их способности к созданию водородных связей, вода оказывается очень хорошим растворителем ионных соединений, например, солей или кислот. Также неплохо растворяются в жидкости неионные (однако полярные) соединения. К таким относятся вещества, в молекулах которых содержатся заряженные (полярные) группы, – например, спирты, сахара либо аминокислоты.
Вода играет важнейшую роль в жизни клеток и живых организмов в целом. Помимо того, что она входит в их состав, для многих организмов это еще и среда обитания. Роль воды в клетке определяется ее свойствами. Свойства эти довольно уникальны и связаны главным образом с малыми размерами молекул воды, с полярностью ее молекул и с их способностью, соединяться друг с другом водородными связями.
Молекулы воды имеют нелинейную пространственную структуру. Атомы в молекуле воды удерживаются посредством полярных ковалентных связей , которые связывают один атом кислорода с двумя атомами водорода. Полярность ковалентных связей (т.е. неравномерное распределение зарядов) объясняется в данном случае сильной электроотрицательностью атомов кислорода по отношению к атому водорода; атом кислорода оттягивает на себя электроны из общих электронных пар.
Вследствие этого на атоме кислорода возникает частично Отрицательный заряд, а на атомах водорода - частично положительный. Между атомами кислорода и водорода соседних молекул возникают водородные связи.
Благодаря образованию водородных связей молекулы воды им одна с другой, что и обусловливает ее исходное состояние при нормальных условиях.
Вода является превосходным растворителем для полярных веществ, например солей, сахаров, спиртов, кислот и др. Вещества хорошо растворимые в воде, называются гидрофильными .
Абсолютно неполярные вещества типа жиров или масел вода не растворяет и не смешивается с ними, поскольку она не может образовывать с ними водородные связи. Нерастворимые в воде вещества называютсягидрофобными .
Вода обладает высокой удельной теплоемкостью . Для разрыва водородных связей, удерживающих молекулы воды, требуется поглотить большое количество энергии. Это свойство обеспечивает поддержание теплового баланса организма при значительных перепадах температуры в окружающей среде. Кроме того, вода обладает высокой теплопроводностью , что позволяет организму поддерживать одинаковую температуру во всем его объеме.
Вода обладает также высокой теплотой парообразования , т.е. способностью молекул уносить с собой значительное количество тепла, охлаждая организм. Это свойство воды используется при потоотделении у млекопитающих, тепловой одышке у крокодилов и транспирации у растений, предотвращая их перегрев.
Для воды характерно исключительно высокое поверхностное натяжение . Это свойство имеет очень важное значение для адсорбционных процессов, для передвижения растворов по тканям (кровообращение, восходящий и нисходящий токи в теле растений). Многие мелкие организмы извлекают для себя пользу из поверхностного натяжения: оно позволяет им удерживаться на воде или скользить по ее поверхности.
Биологические функции воды
Транспортная . Вода обеспечивает передвижение веществ в клетке и организме, поглощение веществ и выведение продуктов метаболизма.
Метаболическая . Вода является средой для всех биохимических реакций в клетке. Ее молекулы участвуют во многих химических реакциях, например при образовании или гидролизе полимеров. В процессе фотосинтеза вода является донором электронов и источником атомов водорода. Она же является источником свободного кислорода.
Структурная . Цитоплазма клеток содержит от 60 до 95 % воды. У растений вода определяет тургор клеток, а у некоторых животных выполняет опорные функции, являясь гидростатическим скелетом (круглые и кольчатые черви, иглокожие).
Вода участвует в образовании смазывающих жидкостей (синовиальная в суставах позвоночных; плевральная в плевральной полости, перикардиальная в околосердечной сумке) и слизей (которые облегчают передвижение веществ по кишечнику, создают влажную среду на слизистых оболочках дыхательных путей). Она входит в состав слюны, желчи, слез, спермы и др.
Минеральные соли . Молекулы солей в водном растворе диссоциируют на катионы и анионы. Наибольшее значение имеют катионы: К + , Na + , Са 2+ , Mg 2+ и анионы: Cl — , H 2 PO 4 — , HPO 4 2- , HCO 3 — , NO 3 — , SO 4 2- . Существенным является не только содержание, но и соотношение ионов в клетке.
Разность между количеством катионов и анионов на поверхности и внутри клетки обеспечивает возникновение потенциала действия, что лежит в основе нервного и мышечного возбуждения. С разностью концентрации ионов по разные стороны мембраны связывают активный перенос веществ через мембрану, а также преобразование энергии.
Анионы фосфорной кислоты создают фосфатную буферную систему, поддерживающую pH внутриклеточной среды организма на уровне 6,9.
Угольная кислота и ее анионы создают бикарбонатную буферную систему, которая поддерживает рН внеклеточной среды (плазма крови) на уровне 7,4.
Некоторые ионы участвуют в активации ферментов, создании осмотического давления в клетке, в процессах мышечного сокращения, свертывании крови и др.
Некоторые катионы и анионы могут включаться в комплексы с различными веществами (например, анионы фосфорной кислоты входят в состав фосфолипидов, АТФ, нуклеотидов и др.; ион Fe 2+ входит в состав гемоглобина и т.д.).
Благодаря своей структуре, вода играет важнейшую роль в жизни любой клетки. Она отвечает за обменные процессы, терморегуляцию, обеспечивает транспорт веществ и поддерживает клеточную структуру. Наш организм живет благодаря жизни наших клеток. А жизнь в них поддерживается благодаря уникальной структуре и свойствам молекулы воды. По количественному составу вода занимает первое место в составе любой клетки.
Присутствие воды в тканях
В наших тканях вода распределена неравномерно.
Мышечная ткань – 65%
Костная ткань - 22%
Жировая ткано – 99%
Кровь – 83 %
Стекловидное тело глаза – 99%
Мозговая ткань – 85%
Зубная эмаль -0,2 %
Участие воды в химических реакциях
С точки зрения химии, вода в клетках является катализаторам, необходимым для протекания различных процессов. В качестве реагента, вода участвует во многих химических реакциях происходящих внутри клеток организма. Вода участвует в процессе гидролиза (разрушения с присоединением молекулы воды). При переваривании пищи происходит гидролиз жиров, белков и углеводов, при этом высвобождается энергия, обеспечивающая жизнедеятельность клеток. При гидролизе солей вода является источником электронов и протонов.
Для протекания внутриклеточных процессов необходимы два свойства воды - способность образовывать водородные связи и обратимая ионизация.
Транспорт веществ
В клетках организма именно вода выполняет транспортную функцию. Молекулы воды участвуют в процессах выведения продуктов жизнедеятельности клетки. Благодаря своим свойствам молекулы воды способны проникать в межклеточное пространство, принося питательные вещества к клеткам.
Вода - это основной компонент крови и лимфы. При ее нехватке сосуд становится ломким, а кровь густой. Это приводит к местным кровоизлияниям и тромбозу.
Поддержание клеточной структуры
Вода в жидком состоянии практически не сжимается. Это свойство позволяет молекулам воды поддерживать структуру клетки, кроме того создает оптимальное внутриклеточное давление. Это обеспечивает постоянную структуру органов и тканей.
Участие воды в терморегуляции
Молекула воды обладает большой теплоемкостью, что позволят ей поддерживать постоянную температуру внутри клеток организма. Кроме того, при расщеплении жиров освобождается большое количество энергии, которая также идет на поддержание температуры.
Вода внутри клетки
В клетках организма вода находится в двух состояниях:
1 Связанное с молекулами белка-4-5%. Такие связи называют сольватными, они образуют оболочку вокруг белковых молекул, препятствуя их взаимодействию. По своему физическому и химическому составу сольватная вода резко отличается от свободной. Она не растворяет солей, а температура замерзания составляет -40C.
2 Свободная вода. Она составляет 95% и участвует во всех перечисленных процессах.
Еще со школы мы знаем, что без воды невозможна наша жизнь. Человек испытывает жажду при потере 3% воды, если потерять 20% то наступит смерть клеток. Это приведет к гибели организма. Следите за количеством употребляемой воды и ее качеством.
Класс: 10
Презентация к уроку
Назад
Вперёд
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:
- Образовательные: усвоение всеми учащимися стандартного минимума фактических сведений о строении и функциях воды на всех уровнях организации живого.
- 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.
- 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 0 С, 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. |
Вода – реагент в реакциях гидролиза
(разрушение сложных химических веществ под действием воды до более простых с новыми свойствами) и ряде других реакций |
|
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 |
Максимальная плотность воды при 4 С° равна 1 г/см3, лед имеет меньшую плотность, и всплывает на ее поверхность. |
Опыты № 1 и № 3
| 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. |
|
Гидрофильные
вещества проникают внутрь клетки.
|
Вода – терморегулятор. |
«Смазочный материал» в суставах, плевральной полости и околосердечной сумке. |
|
Капиллярный кровоток, движение веществ в капиллярах почвы, восходящий и нисходящий ток растворов в растениях. |
Лед защищает водоемы от промерзания. |
Вода может хранить информацию (Приложение 2).
Закрепление (13 мин.):
Биологические задачи:
- Показать синюю или зеленую хризантему. Как создают такие растения? Являются ли они результатом селекционной работы?
- Почему кожа на пальцах при длительном купании сморщивается?
- 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.)
Некоторым ученикам приходится писать в школе эссе на тему: «Какую роль в клетке играет вода?». И каждый прилежный ученик из курса общей биологии знает, что без нее жизнь человечества невозможна. Если человек теряет до 3% жидкости, то начинает испытывать жажду. При потере около 20% жидкости клетки в живом организме начинают отмирать, что приводит в конечном итоге к гибели.
Вконтакте
Значение воды для жизнедеятельности клетки
На нашей планете это вещество является самым распространенным . Каждая клетка живого организма содержит его тем больше, чем интенсивнее она участвует в обменных процессах.
В организме это вещество содержится в связной и свободной форме. Свободная жидкость участвует в транспортировке из внешней среды в клетку и наоборот. Свободная жидкость выступает в роли растворителя и содержится в количестве 95% от общей массы. Содержится она в полостях органов, вакуолях, межклеточном пространстве и сосудах.
Связанная жидкость может находиться между волокнами, молекулами белка, мембранами, в клеточных структурах и образовывает соединения с некоторыми белками. Связанной жидкости в каждой клетке содержится не более 4% от общего количества.
Свойства
Это вещество для человека, как и любого другого живого организма, имеет большее значение, чем пища. Она является главным элементом жизни организма и обеспечивает:
В составе любой клетки, как видно в таблице ниже, первое место занимает вода по количественному составу .
Функции
Как известно из курса школьной химии, вода служит катализатором для протекания разнообразных процессов в организме. Внутри клеток любого живого организма происходят различные химические реакции, где участие воды протекает в качестве реагента .
В процессе пищеварения происходит белков, углеводов и жиров с участием молекул воды и высвобождается энергия, способная обеспечить процессы жизнедеятельности.
Участие в гидролизе солей позволяет ей служить источником для протонов и электронов. Главный показатель для внутриклеточных процессов - это способность вещества жидкости участвовать в обратимой ионизации и образовывать связи с водородом.
Транспортную функцию внутри органов живого организма выполняет тоже это вещество. Все продукты жизнедеятельности клетки выводятся молекулами жидкости. Питательные вещества клеткам доставляют молекулы жидкого вещества, проникая в межклеточное пространство.
Главным компонентом для лимфы и крови является жидкость. Недостаток ее в организме приводит к загустению крови и ломкости сосудов. Местно это выражается в виде тромбозов и кровоизлияний.
Постоянство структуры органов и тканей обеспечивается тем, что она в жидком виде не сжимается, образуя оптимальное внутриклеточное давление и поддерживая структуру клетки.
Постоянная температура внутри организма поддерживается благодаря тому, что молекула жидкости является теплоемкой структурой . Большое количество энергии образуется и при расщеплении жиров, что также служит для поддержки оптимальной температуры.
Это вещество имеет маленький размер молекул, полярность и способность молекул соединяться друг с другом при помощи водородных связей, что обуславливает ее биологическую роль.
Можно выделить две функции воды с точки зрения биологических процессов:
Фотолиз
При фотосинтезе это вещество является источников ионов водорода. При фотосинтезе происходит фотолиз. В переводе с греческого это явление обозначает растворение, распад или разложение с участием света. Фотолиз осуществляется в период световой фазы фотосинтеза, где под действием света молекула этого вещества распадается на ионы.
В результате фотолиза молекула воды распадается на протоны и электроны и выделяет в качестве побочного продукта кислород. Именно этим кислородом и дышат все живые существа на планете.
