Урок рассчитан на 80–90 мин. Тема урока позволяет продемонстрировать ученикам взаимосвязь таких предметов, как биология, география, химия, физика. В скобках приведены варианты ответов на вопросы, которые мне хотелось бы получить от учащихся.
Цели: ознакомление учащихся с данными о содержании воды в клетках различных тканей и водном обмене у разных организмов, с современными представлениями о структуре и свойствах воды, ее биологическими функциями; совершенствование навыков логического мышления.
Оборудование: физическая карта Земли, пробирки, стаканы, капиллярные трубки; поваренная соль, этиловый спирт, сахароза, растительное масло, парафин, яичный белок, желудочный сок, лед; справочники по физике и химии.
Организационный момент
Учитель сообщает учащимся тему и цели урока и порядок его проведения.
Проверка знаний учащихся по теме «Элементный и химический (молекулярный) состав клетки». Трое учащихся работают у доски, остальные (по вариантам) работают по карточкам.
Работа у доски
1. На доске написан перечень элементов: F, Zn, N, Ca, J, Cl, Na, H, Mn, Cu, P, C, K, Fe, O, Mg, Co, из которых нужно выбрать органогенные (биогенные), макроэлементы, микроэлементы. Указать процентное содержание их в клетке.
(Ответ учащихся: а) органогенные: N, H, C, O; б) макроэлементы: Са, Сl, Na, Mn, P, K, Fe, Mg; в) микроэлементы: F, Zn, J, Cu, Co).
2. Дать характеристику органогенных элементов. Объяснить, почему в ходе развития жизни на Земле эти элементы оказались «удобными» для химии жизни.
3. Записать на доске сведения о химическом (молекулярном) составе клетки с указанием процентного содержания основных классов веществ.
Работа по карточкам
Письменно ответьте на вопрос.
Вариант 1. Как влияет недостаток какого-либо из необходимых элементов (органогенного, макроэлемента, микроэлемента) на жизнедеятельность клетки, организма? В чем это может проявиться? Приведите примеры.
Вариант 2. Какой вывод можно сделать из того, что клетки имеют сходный элементный и химический (молекулярный) состав?
Вариант 3. Какое научное значение имеют данные о сходстве и различиях элементного состава (качественного и количественного) живой и неживой природы?
Изучение нового материала
Содержание воды в клетках и организмах
1. Прочтите стихотворные строки Михаила Дудника и скажите, верны ли они с биологической точки зрения. (Стихотворение записано на доске.)
Говорят, что из восьмидесяти процентов воды состоит человек,
Из воды, добавлю, родных его рек,
Из воды, добавлю, – дождей, что его напоили,
Из воды, добавлю, из древней воды, родников.
Из которых его деды и прадеды пили...
(Ответ учащихся . Стихотворные строки верны, т.к. более чем на 2/3 человек состоит из воды.)
2. Глядя на физическую карту, вспомните, каково соотношение площадей суши и Мирового океана на нашей планете.
(Ответ учащихся . Мировой океан, т.е. вода, окружающая материки и острова, занимает около 71% земной поверхности.)
Комментарий учителя . Вода не только покрывает большую часть земной поверхности, но и составляет большую часть всех живых существ: микроорганизмов, растений, животных, человека.
3. Велико ли значение воды в жизни человека?
(Ответ учащихся . Человек пьет воду, моется ею, использует в различных производствах, в сельском хозяйстве. Сейчас многие страны мира испытывают недостаток пресной воды, для ее получения приходится строить специальные заводы, очистные сооружения.)
Комментарий учителя . Вода, такое привычное вещество, обладает совершенно удивительными свойствами. Только благодаря этим свойствам воды стала возможна жизнь на Земле. При поиске жизни на других планетах один из важнейших вопросов – есть ли там достаточное количество воды. Уникальное значение воды для биологических систем обусловлено даже просто количественным содержанием ее в живых организмах.
4. Приведите примеры содержания воды в клетках разных организмов, их тканях и органах, известные вам из курсов ботаники, зоологии, анатомии и физиологии человека.
(Ответ учащихся . Вода составляет 80% массы клетки в молодом организме человека или животного и 60% – в клетках старого. В клетках головного мозга ее 85%, а в клетках развивающегося зародыша – 90%. Если человек теряет 20% воды, то наступает смерть. Правда, не во всех клетках человека содержание воды столь велико. Скажем, в клетках эмали зубов ее только 10–15%. Много воды в клетках мякоти сочных плодов и листьях растений, но ее очень мало в клетках сухих семян или спорах растений и микроорганизмов, поэтому они могут храниться очень долго, пока опять не обводнятся в условиях, способствующих их прорастанию.)
5. Чем определяются различия в содержании воды в клетках?
(Ответ учащихся . Воды больше в тех клетках, в которых обмен веществ протекает более интенсивно.)
Поступление воды в организмы животных и растений
Какие вы знаете способы получения воды разными организмами?
(Ответ учащихся . Пути поступления воды в организм очень разнообразны:
а) через поверхность тела – у
одноклеточных организмов, низших растений,
личинок некоторых насекомых, лягушек, рыб и
других водных организмов;
б) с пищей и питьем – у большинства животных;
в) есть животные, которые почти не пьют или пьют
крайне мало. Это оказывается возможным за счет:
метаболической воды, т.е. воды, образующейся в
организме при окислении, главным образом, жиров
(при окислении 1 г жира образуется 1,1 г воды);
экономного расходования воды, которое у одних
обеспечивается наличием водонепроницаемых
покровов, у других – высокой концентрацией мочи
(так, например, у верблюдов моча в 8 раз
концентрированнее плазмы); запасов воды
(например, у личинок);
г) растения поглощают воду из почвы с помощью
корневых волосков;
д) необычные способы получения воды имеют:
эпифиты – растения, поселяющиеся, главным
образом на стволах, ветвях других деревьев –
поглощают воду из воздуха; многие зонтичные
растения задерживают влагу в чашевидных
влагалищах листьев, откуда она постепенно
всасывается через эпидермис.
Строение молекулы и свойства воды
Многочисленные биологические функции, выполняемые водой, обеспечиваются ее уникальными свойствами, а уникальность свойств воды определяется структурой ее молекулы.
1. Вспомните известные вам из курса химии особенности строения молекулы воды.
(Ответ учащихся . В молекуле воды (эмпирическая формула H 2 O) один атом кислорода ковалентно связан с двумя водородными атомами. Молекула имеет форму треугольника, в одной из вершин которого находится атом кислорода, а в двух других – по атому водорода.)
2. Каков характер ковалентной связи между атомом кислорода и атомами водорода?
(Ответ учащихся . Связь между атомом кислорода и атомами водорода полярная, т.к. кислород притягивает электроны сильнее, чем водород.)
Комментарий учителя . Действительно, атом кислорода в силу своей большей электроотрицательности притягивает электроны сильнее, чем атомы водорода. Следствием этого является полярность молекулы воды. В целом молекула воды электронейтральна, но электрический заряд внутри молекулы распределяется неравномерно, и в области атомов водорода преобладает положительный заряд, а в области, где расположен кислород, – отрицательный заряд (рис. 1). Поэтому такая молекула является электрическим диполем.
Рис. 1. Молекула воды, в которой один атом кислорода ковалентно связан с двумя атотмами водорода. Молекула полярна
Отрицательно заряженный атом кислорода одной молекулы воды притягивает положительно заряженные атомы водорода двух других молекул, поэтому молекулы воды оказываются связанными друг с другом водородными связями. С понятием водородной связи вы уже знакомы (рис. 2).
Рис. 2. Водородные связи (линии) между молекулами воды; атомы кислорода (белые кружки) несут частичные отрицательные заряды, поэтому они образуют водородные связи с атомами водорода (черные кружки) других молекул, несущими частичные положительные заряды
В жидкой воде эти слабые связи быстро образуются и так же быстро разрушаются при беспорядочных столкновениях молекул. Именно благодаря способности молекул воды связываться друг с другом при помощи водородных связей, вода обладает рядом свойств, имеющих важное значение для жизни.
Задания группам учащихся
Класс делится на пять групп, каждая из которых, используя заранее приготовленное оборудование, работает по инструктивной карточке, содержащей задание.
Задание 1-й группе
Вам предложен ряд веществ: поваренная соль, этиловый спирт, сахароза, растительное масло, парафин. Попытайтесь последовательно растворить эти вещества в воде. Какие из предложенных веществ растворяются в воде, а какие нет? Попытайтесь объяснить, почему одни вещества в воде растворяться могут, а другие не могут. С каким свойством воды вы при этом познакомились?
Задание 2-й группе
В пробирку с белыми хлопьями нерастворимого яичного белка, нагретую на водяной бане до 37 °С, добавьте желудочный сок. Что вы наблюдаете? Какая реакция произошла и благодаря какому ферменту желудочного сока? С каким свойством воды вы познакомились?
Задание 3-й группе
Опустите кусочки льда в стакан с водой. Что вы наблюдаете? Что вы можете сказать о плотности воды и льда? Конкретные сведения о плотности воды и льда можно получить из «Справочника по элементарной физике» (Енохович). С какими особенностями воды вы познакомились?
Задание 4-й группе
Вам известно, что вода закипает и переходит в парообразное состояние при температуре 100 °С. Используя «Справочник по элементарной физике», сравните температуру кипения воды с температурой кипения других жидкостей. Попытайтесь объяснить полученные результаты.
Задание 5-й группе
Попытайтесь налить воду в стакан «с верхом». Почему это возможно? В стакан с водой медленно опустите стеклянную трубку малого диаметра. Что вы наблюдаете? Объясните результаты опыта. С каким свойством воды вы познакомились?
Отчет 1-й группы
В воде из предложенных веществ растворяются: поваренная соль, этиловый спирт, сахароза (тростниковый сахар). Не растворяются: растительное масло и парафин. Из полученных результатов можно сделать вывод, что вещества с ионной химической связью (поваренная соль), а также неионные соединения (сахара, спирты), в молекулах которых, наверное, присутствуют заряженные (полярные) группы, в воде растворяются. Вода является одним из наиболее универсальных растворителей: практически все вещества растворяются в ней, хотя бы в следовых количествах.
Комментарий учителя . Если энергия притяжения между молекулами воды и молекулами какого-либо вещества больше, чем энергия притяжения между молекулами воды, то вещество растворяется. Растворимые в воде вещества называются гидрофильными (соли, щелочи, кислоты и др.). Неполярные (не несущие заряда) соединения в воде практически не растворяются. Их называют гидрофобными (жиры, жироподобные вещества, каучук и др.).
Отчет 2-й группы
Нерастворимые хлопья яичного белка под действием пепсина желудочного сока растворяются. Имеет место реакция ферментативного гидролиза (расщепления) белков на аминокислоты с присоединением молекулы воды при разрыве каждой пептидной связи. Подобные реакции протекают в желудочно-кишечном тракте человека и животных:
Таким образом, вода может вступать в химические реакции, т.е. является реагентом.
Свойства воды и ее роль в клетке:
На первом месте среди веществ клетки стоит вода. Она составляет около 80% массы клетки. Вода важна для живых организмов вдвойне, ибо она необходима не только как компонент клеток, но для многих и как среда обитания.
1. Вода определяет физические свойства клетки - ее объем, упругость.
2. Многие химические процессы протекают только в водном растворе.
3. Вода - хороший растворитель: многие вещества поступают в клетку из внешней среды в водном растворе, и в водном же растворе отработанные продукты выводятся из клетки.
4. Вода обладает высокой теплоемкостью и теплопроводностью.
5. Вода обладает уникальным свойством: при охлаждении ее от +4 до 0 градусов, она расширяется. Поэтому лед оказывается легче жидкой воды и остается на ее поверхности. Это очень важно для организмов, обитающих в водной среде.
6. Вода может быть хорошим смазочным материалом.
Биологическая роль воды определяется малыми размерами ее молекул, их полярностью и способностью соединяться друг с другом водородными связями.
Биологические функции воды:
транспортная. Вода обеспечивает передвижение веществ в клетке и организме, поглощение веществ и выведение продуктов метаболизма. В природе вода переносит продукты жизнедеятельности в почвы и к водоемам.
метаболическая. Вода является средой для всех биохимических реакций, донором электронов при фотосинтезе; она необходима для гидролиза макромолекул до их мономеров.
вода участвует в образовании смазывающих жидкостей и слизей, секретов и соков в организме.
За очень немногими исключениями (кость и эмаль зуба), вода является преобладающим компонентом клетки. Вода необходима для метаболизма (обмена) клетки, так как физиологические процессы происходят исключительно в водной среде. Молекулы воды участвуют во многих ферментативных реакциях клетки. Например, расщепление белков, углеводов и других веществ происходит в результате катализируемого ферментами взаимодействия их с водой. Такие реакции называются реакциями гидролиза.
Вода служит источником ионов водорода при фотосинтезе. Вода в клетке находится в двух формах: свободной и связанной. Свободная вода составляет 95% всей воды в клетке и используется главным образом как растворитель и как дисперсионная среда коллоидной системы протоплазмы. Связанная вода, на долю которой приходится всего 4% всей воды клетки, непрочно соединена с белками водородными связями.
Из-за асимметричного распределения зарядов молекула воды действует как диполь и потому может быть связана как положительно, так и отрицательно заряженными группами белка. Дипольным свойством молекулы воды объясняется способность ее ориентироваться в электрическом поле, присоединяться к различным молекулам и участкам молекул, несущим заряд. В результате этого образуются гидраты
Благодаря своей высокой теплоемкости вода поглощает тепло и тем самым предотвращает резкие колебания температуры в клетке. Содержание воды в организме зависит от его возраста и метаболической активности. Оно наиболее высоко в эмбрионе (90%) и с возрастом постепенно уменьшается. Содержание воды в различных тканях варьируется в зависимости от их метаболической активности. Например, в сером веществе мозга воды до 80%, а в костях до 20%. Вода - основное средство перемещения веществ в организме (ток крови, лимфы, восходящие и нисходящие токи растворов по сосудам у растений) и в клетке. Вода служит «смазочным» материалом, необходимым везде, где есть трущиеся поверхности (например, в суставах). Вода имеет максимальную плотность при 4°С. Поэтому лед, обладающий меньшей плотностью, легче воды и плавает на ее поверхности, что защищает водоем от промерзания. Это свойство воды спасает жизнь многим водным организмам.
1. Какое строение имеет вода?
Ответ. Молекула воды имеет угловое строение: входящие в её состав ядра образуют равнобедренный треугольник, в основании которого находятся два водорода, а в вершине – атом кислорода. Межъядерные расстояния О-Н близки к 0,1 нм, расстояние между ядрами атомов водорода равно 0,15 нм. Из шести электронов, составляющих внешний электронный слой атома кислорода в молекуле воды, две электронные пары образуют ковалентные связи О-Н, а остальные четыре электрона представляют собой две неподелёные электронные пары.
Молекула воды представляет собой маленький диполь, содержащий положительный и отрицательный заряды на полюсах. Около ядер водорода имеется недостаток электронной плотности, а на противоположной стороне молекулы, около ядра кислорода, наблюдается избыток электронной плотности. Именно такая структура и определяет полярность молекулы воды.
2. Какое количество воды (в %) содержится в различных клетках?
Количество воды неодинаково в разных тканях и органах. Так, у человека в сером веществе головного мозга ее содержание составляет 85 %, а в костной ткани - 22 %. Наибольшее содержание воды в организме наблюдается в эмбриональный период (95 %) и с возрастом постепенно уменьшается.
Содержание воды в различных органах растений колеблется в довольно широких пределах. Оно изменяется в зависимости от условий внешней среды, возраста и вида растений. Так, содержание воды в листьях салата составляет 93-95%, кукурузы - 75-77%. Количество воды неодинаково в разных органах растений: в листьях подсолнечника воды содержится 80-83%, в стеблях - 87-89%, в корнях - 73-75%. Содержание воды, равное 6-11%, характерно главным образом для воздушно-сухих семян, в которых процессы жизнедеятельности заторможены. Вода содержится в живых клетках, в мертвых элементах ксилемы и в межклетниках. В межклетниках вода находится в парообразном состоянии. Основными испаряющими органами растения являются листья. В связи с этим естественно, что наибольшее количество воды заполняет межклетники листьев. В жидком состоянии вода находится в различных частях клетки: клеточной оболочке, вакуоли, цитоплазме. Вакуоли - наиболее богатая водой часть клетки, где содержание ее достигает 98%. При наибольшей оводненности содержание воды в цитоплазме составляет 95%. Наименьшее содержание воды характерно для клеточных оболочек. Количественное определение содержания воды в клеточных оболочках затруднено; по-видимому, оно колеблется от 30 до 50%. Формы воды в разных частях растительной клетки также различны.
3. Какова роль воды в живых организмах?
Ответ. Вода - преобладающий компонент всех живых организмов. Она обладает уникальными свойствами благодаря особенностям строения: молекулы воды имеют форму диполя и между ними образуются водородные связи. Среднее содержание воды в клетках большинства живых организмов составляет около 70%. Вода в клетке присутствует в двух формах: свободной (95% всей воды клетки) и связанной (4-5% связаны с белками) .
Функции воды:
1.Вода как растворитель. Многие химические реакции в клетке являются ионными, поэтому протекают только в водной среде. Вещества, растворяющиеся в воде, называются гидрофильными (спирты, сахара, альдегиды, аминокислоты), не растворяющиеся - гидрофобными (жирные кислоты, целлюлоза).
2.Вода как реагент. Вода участвует во многих химических реакциях: реакциях полимеризации, гидролиза, в процессе фотосинтеза.
3.Транспортная функция. Передвижение по организму вместе с водой растворенных в ней веществ к различным его частям и выведение ненужных продуктов из организма.
4.Вода как термостабилизатор и терморегулятор. Эта функция обусловлена такими свойствами воды, как высокая теплоемкость - смягчает влияние на организм значительных перепадов температуры в окружающей среде; высокая теплопроводность - позволяет организму поддерживать одинаковую температуру во всем его объеме; высокая теплота испарения - используется для охлаждения организма при потоотделении у млекопитающих и транспирации у растений.
5.Структурная функция. Цитоплазма клеток содержит от 60 до 95 % воды, и именно она придает клеткам их нормальную форму. У растений вода поддерживает тургор (упругость эндоплазматической мембраны) , у некоторых животных служит гидростатическим скелетом (медузы)
Вопросы после § 7
1. В чём особенность строения молекулы воды?
Ответ. Уникальные свойства воды определяются структурой её молекулы. Молекула воды состоит из атома О, связанного с двумя атомами Н полярными ковалентными связями. Характерное расположение электронов в молекуле воды придаёт ей электрическую асимметрию. Более электроотрицательный атом кислорода притягивает электроны атомов водорода сильнее, в результате общие пары электронов смещены в молекуле воды в его сторону. Поэтому, хотя молекула воды в целом не заряжена, каждый из двух атомов водорода обладает частично положительным зарядом (обозначаемым 8+), а атом кислорода несёт частично отрицательный заряд (8-). Молекула воды поляризована и является диполем (имеет два полюса).
Частично отрицательный заряд атома кислорода одной молекулы воды притягивается частично положительными атомами водорода других молекул. Таким образом, каждая молекула воды стремится связаться водородной связью с четырьмя соседними молекулами воды.
2. Каково значение воды как растворителя?
Ответ. Благодаря полярности молекул и способности образовывать водородные связи вода легко растворяет ионные соединения (соли, кислоты, основания). Хорошо растворяются в воде и некоторые неионные, но полярные соединения, т. е. в молекуле которых присутствуют заряженные (полярные) группы, например сахара, простые спирты, аминокислоты. Вещества, хорошо растворимые в воде, называются гидрофильными (от греч. hygros – влажный и philia – дружба, склонность). Когда вещество переходит в раствор, его молекулы или ионы могут двигаться более свободно и, следовательно, реакционная способность вещества возрастает. Это объясняет, почему вода является основной средой, в которой протекает большинство химических реакций, а все реакции гидролиза и многочисленные окислительно-восстановительные реакции идут при непосредственном участии воды.
Вещества, плохо или вовсе нерастворимые в воде, называются гидрофобными (от греч. phobos – страх). К ним относятся жиры, нуклеиновые кислоты, некоторые белки и полисахариды. Такие вещества могут образовывать с водой поверхности раздела, на которых протекают многие химические реакции. Следовательно, тот факт, что вода не растворяет неполярные вещества, для живых организмов также очень важен. К числу важных в физиологическом отношении свойств воды относится её способность растворять газы (О2, СО2 и др.).
3. Что такое теплопроводность и теплоёмкость воды?
Ответ. Вода обладает высокой теплоёмкостью, т. е. способностью поглощать тепловую энергию при минимальном повышении собственной температуры. Большая теплоёмкость воды защищает ткани организма от быстрого и сильного повышения температуры. Многие организмы охлаждаются, испаряя воду (транспирация у растений, потоотделение у животных).
4. Почему считают, что вода является идеальной жидкостью для клетки?
Ответ. Высокое содержание воды в клетке - важнейшее условие ее деятельности. При потере большей части воды многие организмы гибнут, а ряд одноклеточных и даже многоклеточных организмов временно утрачивает все признаки жизни. Такое состояние называется анабиозом. После увлажнения клетки пробуждаются и становятся вновь активными.
Молекула воды электронейтральна. Но электрический заряд внутри молекулы распределен неравномерно: в области атомов водорода (точнее, протонов) преобладает положительный заряд, в области, где расположен кислород, выше плотность отрицательного заряда. Следовательно, частица воды - это диполь. Дипольным свойством молекулы воды объясняется способность ее ориентироваться в электрическом поле, присоединяться к различным молекулам и участкам молекул, несущим заряд. В результате этого образуются гидраты. Способностью воды образовывать гидраты обусловлены ее универсальные растворяющие свойства. Если энергия притяжения молекул воды к молекулам какого-либо вещества больше, чем энергия притяжения между молекулами воды, то вещество растворяется. В зависимости от этого различают гидрофильные (греч. hydros - вода и phileo - люблю) вещества, хорошо растворимые в воде (например, соли, щелочи, кислоты др.), и гидрофобные (греч. hydros - вода и phobos - боязнь) вещества, трудно или вовсе не растворимые в воде (жиры, жироподобные вещества, каучук и др.). В состав клеточных мембран входят жироподобные вещества, ограничивающие переход из наружной среды в клетки и обратно, а также из одних частей клетки в другие.
Большинство реакций, протекающих в клетке, могут идти только в водном растворе. Вода - непосредственный участник многих реакций. Например, расщепление белков, углеводов и других веществ происходит в результате катализируемого ферментами взаимодействия их с водой. Такие реакции называются реакциями гидролиза (греч. hydros - вода и lysis - расщепление).
Вода имеет высокую теплоемкость и одновременно относительно высокую для жидкостей теплопроводность. Эти свойства делают воду идеальной жидкостью для поддержания теплового равновесия клетки и организма.
Вода - основная среда для протекания биохимических реакций клетки. Она источник кислорода, выделяемого при фотосинтезе, и водорода, который используется для восстановления продуктов ассимиляции углекислого газа. И наконец, вода - основное средство передвижения веществ в организме (ток крови и лимфы, восходящие и нисходящие токи растворов по сосудам у растений) и в клетке.
5. Какова роль воды в клетке
Обеспечение упругости клетки. Последствия потери клеткой воды увядание листьев, высыхание плодов;
Ускорение химических реакций за счет растворения веществ в воде;
Обеспечение перемещения веществ: поступление большинства веществ в клетку и удаление их из клетки в виде растворов;
Обеспечение растворения многих химических веществ (ряда солей, сахаров);
Участие в ряде химических реакций;
Участие в процессе теплорегуляции благодаря способности к медленному нагреванию и медленному остыванию.
6. Какие структурные и физико-химические свойства воды определяют её биологическую роль в клетке?
Ответ. Структурные физико-химические свойства воды определяют ее биологические функции.
Вода является хорошим растворителем. Благодаря полярности молекул и способности образовывать водородные связи вода легко растворяет ионные соединения (соли, кислоты, основания).
Вода обладает высокой теплоёмкостью, т. е. способностью поглощать тепловую энергию при минимальном повышении собственной температуры. Большая теплоёмкость воды защищает ткани организма от быстрого и сильного повышения температуры. Многие организмы охлаждаются, испаряя воду (транспирация у растений, потоотделение у животных).
Вода обладает также высокой теплопроводностью, обеспечивая равномерное распределение тепла по всему организму. Следовательно, высокая удельная теплоёмкость и высокая теплопроводность делают воду идеальной жидкостью для поддержания теплового равновесия клетки и организма.
Вода практически не сжимается, создавая тургорное давление, определяя объём и упругость клеток и тканей. Так, именно гидростатический скелет поддерживает форму у круглых червей, медуз и других организмов.
Вода характеризуется оптимальным для биологических систем значением силы поверхностного натяжения, которое возникает благодаря образованию водородных связей между молекулами воды и молекулами других веществ. Благодаря силе поверхностного натяжения происходит капиллярный кровоток, восходящий и нисходящий токи растворов в растениях.
В определенных биохимических процессах вода выступает в качестве субстрата.
В земной коре встречается около 100 химических элементов, но для жизни необходимы только 16 из них. Наиболее распространены в растительных организмах четыре элемента – водород, углерод, кислород, азот, которые образуют различные вещества. Основными компонентами растительной клетки являются вода, органические и минеральные вещества.
Вода – основа жизни. Содержание воды в растительных клетках колеблется от 90 до 10%. Она является уникальным веществом благодаря своим химическим и физическим свойствам. Вода необходима для процесса фотосинтеза, транспорта веществ, роста клеток, она является средой для многих биохимических реакций, универсальным растворителем и т.д.
Минеральные вещества (зола) – вещества, которые остаются после сжигания кусочка какого-либо органа. Содержание зольных элементов колеблется от 1% до 12% сухого веса. В растении встречаются почти все элементы, входящие в состав воды и почвы. Наиболее часто встречаются калий, кальций, магний, железо, кремний, сера, фосфор, азот (макроэлементы) и медь, алюминий, хлор, молибден, бор, цинк, литий, золото (микроэлементы). Минеральные вещества играют важную роль в жизнедеятельности клеток – они входят в состав аминокислот, ферментов, АТФ, электронтранспортных цепей, необходимы для стабилизации мембран, участвуют в процессах обмена и т.д.
Органические вещества растительной клетки подразделяются на: 1) углеводы, 2) белки, 3) липиды, 4) нуклеиновые кислоты, 5) витамины, 6) фитогормоны, 7) продукты вторичного метаболизма.
Углеводы составляют до 90% веществ, входящих в состав растительной клетки. Различают:
Моносахариды (глюкоза, фруктоза). Моносахариды образуются в листьях при фотосинтезе и легко превращаются в крахмал. Они накапливаются в плодах, реже в стеблях, луковицах. Моносахариды транспортируются из клетки в клетку. Они являются энергетическим материалом, участвуют в образовании гликозидов.
Дисахариды (сахароза, мальтоза, лактоза и др.) образуются из двух частиц моносахаров. Они накапливаются в корнеплодах и плодах.
Полисахариды – полимеры, которые очень широко распространенны в растительных клетках. К данной группе веществ относят крахмал, инулин, целлюлозу, гемицеллюлозу, пектиновые вещества, каллозу.
Крахмал – основное запасное вещество растительной клетки. Первичный крахмал образуется в хлоропластах. В зеленых частях растения он расщепляется до моно- и дисахаров и по флоэме жилок транспортируется в растущие части растения и органы запаса. В лейкопластах запасающих органов из сахарозы синтезируется вторичный крахмал в форме крахмальных зерен.
Молекула крахмала состоит из амилозы и амилопектина. Линейные цепи амилозы, состоящие из нескольких тысяч остатков глюкозы, способны спирально ветвиться и, таким образом, принимать более компактную форму. У разветвленного полисахприда амилопектина компактность обеспечивается интенсивным ветвлением цепей за счет образования 1,6-гликозидных связей. Амилопектин содержит приблизительно вдвое больше глюкозных остатков, чем амилоза.
С раствором Люголя водная суспензия амилозы дает темно-синюю окраску, суспензия амилопектина – красно-фиолетовую, суспензия крахмала – сине-фиолетовую.
Инулин – полимер фруктозы, запасной углевод семейства астровых. Находится в клетках в растворенном виде. Не дает окрашивания с раствором иода, окрашивается β-нафтолом в красный цвет.
Целлюлоза – полимер глюкозы. В целлюлозе заключено около 50% углерода, находящегося в растении. Данный полисахарид – основной материал клеточной стенки. Молекулы целлюлозы представляют собой длинные цепи, состоящие из остатков глюкозы. Из каждой цепи выступают наружу множество ОН-групп. Эти группы направлены во все стороны и образуют водородные связи с соседними цепями, что обеспечивает жесткое поперечное сшивание всех цепей. Цепи объединены друг с другом, образуя микрофибриллы, а последние объединяются в более крупные структуры – макрофибриллы. Прочность на разрыв при таком строении очень высока. Макрофибриллы, располагаясь слоями, погружены в цементирующий матрикс, состоящий из пектиновых веществ и гемицеллюлоз.
Целлюлоза в воде не растворяется, с раствором иода дает желтое окрашивание.
Пектины состоят из галактозы и галактуроновой кислоты. Пектиновая кислота представляет собой полигалактуроновую кислоту. Входят в состав матрикса клеточной стенки и обеспечивают ее эластичность. Пектины составляют основу срединной пластинки, образующейся между клетками после деления. Образуют гели.
Гемицеллюлозы – высокомолекулярные соединения смешанного состава. Входят в состав матрикса клеточной стенки. В воде не растворяются, гидролизуются в кислой среде.
Каллоза – аморфный полимер глюкозы, встречающийся в разных частях растительного организма. Каллоза образуется в ситовидных трубках флоэмы, а также синтезируется в ответ на повреждение или неблагоприятное воздействие.
Агар-агар – высокомолекулярный полисахарид, содержащийся в морских водорослях. Растворяется в горячей воде, а после охлаждения застывает.
Белки высокомолекулярные соединения, состоящие из аминокислот. Элементный состав – С, О, N, S, P.
Растения способны синтезировать все аминокислоты из более простых веществ. 20 основных аминокислот образуют все разнообразие белков.
Сложность строения белков и чрезвычайное разнообразие их функций затрудняют создание единой четкой классификации белков на какой-либо одной основе. По составу белки классифицируются на простые и сложные. Простые - состоят только из аминокислот, сложные - состоят из аминокислот и небелкового материала (простетичесой группы).
К простым белкам относят альбумины, глобулины, гистоны, проламины, глютеины. Альбумины – нейтральные белки, растворимы в воде, в растениях встречаются редко. Глобулины - нейтральные белки, нерастворимы в воде, растворимы в разбавленных солевых растворах, распространены в семенах, корнях, стеблях растений. Гистоны – нейтральные белки, растворимы в воде, локализованы в ядрах всех живых клеток. Проламины – растворимы в 60-80% этаноле, встречаются в зерновках злаков. Глютеины растворимы в растворах щелочей, содержатся в зерновках злаков, зеленых частях растений.
К сложным относят фосфопротеины (простетическая группа – фосфорная кислота), ликопротеины (углевод), нуклеопротеины (нуклеиновая кислота), хромопротеины (пигмент), липопротеины (липид), флавопротеины (ФАД), металлопротеины (металл).
Белки играют важную роль в жизнедеятельности растительного организма и в зависимости от выполняемой функции белки подразделяют на структурные белки, ферменты, транспортные белки, сократительные белки, запасные белки.
Липиды – органические вещества нерастворимые в воде и растворимые в органических растворителях (эфире, хлороформе, бензоле). Липиды делят на истинные жиры и липоиды.
Истинные жиры – сложные эфиры жирных кислот и какого-либо спирта. В воде образуют эмульсию, при нагревании со щелочами гидролизуются. Являются запасными веществами, накапливаются в семенах.
Липоиды – жироподобные вещества. К ним относят фосфолипиды (входят в состав мембран), воска (образуют защитный налет на листьях и плодах), стеролы (входят в состав протоплазмы, участвуют в образовании вторичных метаболитов), каротиноиды (красные и желтые пигменты, необходимы для защиты хлорофилла, придают окраску плодам, цветкам), хлорофилл (основной пигмент фотосинтеза)
Нуклеиновые кислоты - генетический материал всех живых организмов. Нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК) состоят из мономеров – нуклеотидов. Молекула нуклеотида состоит из пятиуглеродного сахара, азотистого основания и фосфорной кислоты.
Витамины – сложные органические вещества разнообразного химического состава. Обладают высокой физиологической активностью – они необходимы для синтеза белков, жиров, для работы ферментов и др. Витамины подразделяют на жирорастворимые и водорастворимые. К жирорастворимым относят витамины группы А, К, Е, к водорастворимым – витсмин С, витамины группы В.
Фитогормоны – низкомолекулярные вещества с высокой физиологической активностью. Они оказывают регулирующее влияние на процессы роста и развития растений в очень низких концентрациях. Фитогормоны делят на стимуляторы (цитокинины, ауксины, гиббереллины) и ингибиторы (этилен и абсцизины).
1.3 Распределение воды в клетке
Содержание воды в различных органах растений колеблется в довольно широких пределах. Оно изменяется в зависимости от условий внешней среды, возраста и вида растений. Так, содержание воды в листьях салата составляет 93-95%, кукурузы -- 75-77%. Количество воды неодинаково в разных органах растений: в листьях подсолнечника воды содержится 80-83%, в стеблях -- 87-89%, в корнях -- 73-75%. Содержание воды, равное 6-11%, характерно главным образом для воздушно-сухих семян, в которых процессы жизнедеятельности заторможены.
Вода содержится в живых клетках, в мертвых элементах ксилемы и в межклетниках. В межклетниках вода находится в парообразном состоянии. Основными испаряющими органами растения являются листья. В связи с этим естественно, что наибольшее количество воды заполняет межклетники листьев. В жидком состоянии вода находится в различных частях клетки: клеточной оболочке, вакуоли, протоплазме. Вакуоли -- наиболее богатая водой часть клетки, где содержание ее достигает 98%. При наибольшей оводненности содержание воды в протоплазме составляет 95%. Наименьшее содержание воды характерно для клеточных оболочек. Количественное определение содержания воды в клеточных оболочках затруднено; по-видимому, оно колеблется от 30 до 50%.
Формы воды в разных частях растительной клетки также различны. В вакуолярном клеточном соке преобладает вода, удерживаемая сравнительно низкомолекулярными соединениями (осмотически-связанная) и свободная вода. В оболочке растительной клетки вода связана главным образом высокополимерными соединениями (целлюлозой, гемицеллюлозой, пектиновыми веществами), т. е. коллоидно-связанная вода. В самой цитоплазме имеется вода свободная, коллоидно- и осмотически-связанная. Вода, находящаяся на расстоянии до 1 нм от поверхности белковой молекулы, связана прочно и не имеет правильной гексагональной структуры (коллоидно-связанная вода). Кроме того, в протоплазме имеется определенное количество ионов, а следовательно, часть воды осмотически связана.
Физиологическое значение свободной и связанной воды различно. Большинство исследователей полагает, что интенсивность физиологических процессов, в том числе и темпов роста, зависит в первую очередь от содержания свободной воды. Имеется прямая корреляция между содержанием связанной воды и устойчивостью растений против неблагоприятных внешних условий. Указанные физиологические корреляции наблюдаются не всегда.
Аппарат Гольджи
Аппарат Гольджи
Лизосомы - это маленькие, окруженные одинарной мембраной пузырьки. Они отпочковываются от аппарата Гольджи и, возможно, от эндоплазматического ретикулума. Лизосомы содержат разнообразные ферменты, которые расщепляют крупные молекулы...
Здоровье школьников: проблемы и пути решения
При занятии подростка спортом нельзя допускать перетренировки. Об утомлении после большой физической нагрузки свидетельствуют вялость, боль в мышцах. Родители должны контролировать время занятий спортом...
Информационная система клетки
Генетическая информация закодирована в ДНК. Генетический код был выяснен М. Ниренбергом и Х.Г. Корана, за что они были удостоены Нобелевской премии в 1968 году. Генетический код - система расположения нуклеотидов в молекулах нуклеиновых кислот...
Кодирование и реализация биологической информации в клетке, генетический код и его свойства
Посредником в передаче генетической информации (порядок нуклеотидов) от ДНК к белку выступает иРНК (информационная РНК)...
Мейобентос зарослей макрофитов прибрежной зоны Новороссийской бухты
Работ, описывающих закономерности пространственного размещения мейобентосных организмов, достаточно много - в последние десятилетия это одно из самых популярных направлений в исследованиях...
Мембранный потенциал
В 1890 году Вильгельм Оствальд, занимавшийся полупроницаемыми искусственными пленками предположил, что полупроницаемость может быть причиной не только осмоса, но и электрических явлений. Осмос возникает тогда...
Микробиология рыбы и рыбных продуктов
Микробиологическая оценка воды дается на основании определения микробного числа КМАФАнМ; коли - титра; коли - индекса; присутствия патогенных микроорганизмов. Первые два анализа проводятся постоянно...
Молекулярно-генетический уровень живых структур
То, что гены расположены в хромосомах, казалось бы, не соответствует тому факту, что у людей только 23 пары хромосом и вместе с тем тысячи различных признаков, которым должны соответствовать тысячи различных генов. Одних только признаков...
Мухи-сфероцериды (Diptera, Sphaeroceridae) природного заказника "Камышанова поляна"
На территории заказника «Камышанова Поляна» чётко выделяются следующие виды биотопов: лесные, луговые, различные околоводные, а также опушечные формации...
Объекты биотехнологии в пищевой промышленности
Обмен веществ, или метаболизм, -- лежащий в основе жизни закономерный порядок превращения веществ и энергии в живых системах, направленный на их сохранение и самовоспроизведение; совокупность всех химических реакций, протекающих в организме...
Понятие клетки
XVII век 1665 год -- английский физик Р. Гук в работе «Микрография» описывает строение пробки, на тонких срезах которой он нашёл правильно расположенные пустоты. Эти пустоты Гук назвал «порами, или клетками»...
Роль митохондрий в апоптозе
Физиология клеточного возбуждения
· Формирование клеточного возбуждения обусловлено именно транспортом ионов. Билипидный слой клеточной мембраны непроницаем для ионов (Na, K, Cl), для их транспорта в клетку и из клетки предназначены ионные каналы - специальные интегральные белки...
Химический состав клетки
Все живые организмы способны к обмену веществ с окружающей средой. В клетках непрерывно идут процессы биологического синтеза, или биосинтеза...