Sadržaj vode u ćeliji ovisi o. Voda, njena uloga u stanici i organizmu. Struktura molekula i svojstva vode

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

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

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

Organiziranje vremena

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

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

Rad za pločom

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

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

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

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

Rad s karticama

Odgovorite na pitanje pismeno.

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

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

Opcija 3. Kakvo je znanstveno značenje podataka o sličnostima i razlikama u elementarnom sastavu (kvalitativnom i kvantitativnom) žive i nežive prirode?

Učenje novog gradiva

Sadržaj vode u stanicama i organizmima

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

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

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

2. Gledajući fizičku kartu, prisjetite se koliki je omjer kopna i oceana na našem planetu.

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

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

3. Je li voda važna u ljudskom životu?

(Odgovor učenika. Čovjek pije vodu, umiva se njome, koristi je u raznim industrijama i poljoprivredi. Sada mnoge zemlje svijeta doživljavaju nedostatak svježe vode; da bi je dobili moraju graditi posebne tvornice i postrojenja za obradu.)

Komentar učitelja. Voda, tako poznata tvar, ima apsolutno nevjerojatna svojstva. Samo zahvaljujući tim svojstvima vode život na Zemlji postao je moguć. Kada se traga za životom na drugim planetima, jedno od najvažnijih pitanja je ima li tamo dovoljno vode. Jedinstvena važnost vode za biološke sustave posljedica je njezinog jednostavnog kvantitativnog sadržaja u živim organizmima.

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

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

5. Što određuje razlike u sadržaju vode u stanicama?

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

Ulazak vode u tijela životinja i biljaka

Na koje načine znate kako različiti organizmi dobivaju vodu?

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

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

Struktura molekula i svojstva vode

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

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

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

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

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

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

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

Negativno nabijeni atom kisika jedne molekule vode privlači pozitivno nabijene atome vodika druge dvije molekule, pa su molekule vode međusobno povezane vodikovim vezama. Već ste upoznati s pojmom vodikove veze (slika 2).

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

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

Zadaci za grupe učenika

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

Zadatak grupi 1

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

Zadatak grupi 2

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

Zadatak za grupu 3

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

Zadatak grupi 4

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

Zadatak za grupu 5

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

Izvještaj 1. grupe

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

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

Izvještaj 2. grupe

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

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

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

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

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

Fiziološki značaj slobodne i vezane vode je različit. Prema većini istraživača, intenzitet fizioloških procesa, uključujući i brzinu rasta, prvenstveno ovisi o sadržaju slobodne vode. Postoji izravna korelacija između sadržaja vezane vode i otpornosti biljaka na nepovoljne vanjske uvjete. Ove fiziološke korelacije nisu uvijek uočene.

Za normalno postojanje stanice i biljni organizam u cjelini moraju sadržavati određenu količinu vode. Međutim, to je lako izvedivo samo za biljke koje rastu u vodi. Za kopnene biljke ovaj je zadatak kompliciran činjenicom da se voda u tijelu biljke kontinuirano gubi isparavanjem. Isparavanje vode od strane biljke doseže ogromne razmjere. Možemo navesti sljedeći primjer: jedna biljka kukuruza ispari do 180 kg vode tijekom vegetacije, a 1 hektar šume u Južnoj Americi ispari u prosjeku 75 tisuća kg vode dnevno. Velika potrošnja vode posljedica je činjenice da većina biljaka ima značajnu lisnu površinu koja se nalazi u atmosferi koja nije zasićena vodenom parom. Istodobno, razvoj opsežne lisne površine je neophodan i razvijen u procesu duge evolucije kako bi se osigurala normalna prehrana ugljičnim dioksidom sadržanim u zraku u neznatnoj koncentraciji (0,03%). U svojoj poznatoj knjizi “Borba biljaka protiv suše” K.A. Timirjazev je istaknuo da je kontradikcija između potrebe za hvatanjem ugljičnog dioksida i smanjenja potrošnje vode ostavila traga na strukturi cijelog biljnog organizma.

Da bi se nadoknadio gubitak vode zbog isparavanja potrebno je kontinuirano dovoditi veliku količinu vode u postrojenje. Nazivaju se dva procesa koji se neprekidno odvijaju u biljci - ulazak i isparavanje vode ravnoteža vode biljaka. Za normalan rast i razvoj biljaka potrebno je da potrošnja vode približno odgovara dotoku, odnosno da biljka smanjuje vodnu bilancu bez velikog deficita. Da bi to postigla, biljka je kroz proces prirodne selekcije razvila prilagodbe za upijanje vode (kolosalno razvijen korijenov sustav), za premještanje vode (poseban provodni sustav) i smanjenje isparavanja (sustav pokrovnih tkiva i sustav automatskih zatvaranje stomatalnih otvora).

Unatoč svim tim prilagodbama, biljka često doživljava deficit vode, odnosno opskrba vodom nije uravnotežena s njezinom potrošnjom tijekom procesa transpiracije.

Fiziološki poremećaji javljaju se u različitim biljkama s različitim stupnjevima nedostatka vode. Postoje biljke koje su u procesu evolucije razvile razne prilagodbe da podnose dehidraciju (biljke otporne na sušu). Pojašnjenje fizioloških karakteristika koje određuju otpornost biljaka na nedostatak vode je najvažniji zadatak, čije rješenje ima veliki ne samo teorijski, već i poljoprivredni praktični značaj. Istovremeno, da bi se to riješilo, potrebno je poznavati sve aspekte izmjene vode u biljnom organizmu.

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

Stanje vode u biljnim stanicama

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

Neke od molekula vode koje ulaze u stanicu stvaraju vodikove veze s određenim brojem radikala molekula organskih tvari. Sljedeći radikali posebno lako tvore vodikove veze:

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

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

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

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

Apsorpcija vode biljnim stanicama

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

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

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

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

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

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

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

R = iRCT,

Gdje R - osmotski potencijal staničnog soka

R- plinska konstanta jednaka 0,0821;

T - temperatura na Kelvinovoj skali;

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

Sam izotonični koeficijent je jednak

I= 1 + α ( n + 1),

gdje je α - stupanj elektrolitičke disocijacije;

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

Osmotski potencijal otopine tla obično se označava grčkim slovom π.

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

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

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

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

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

Riža. 3.18.

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