Неорганические вещества вода соли 10 класс конспект
Обновлено: 05.07.2024
Posted in Биология Tags: вода в клетке, неорганические вещества клетки, соли в клетке
Большинство химических соединений, которые входят в состав клетки, встречаются только в живой природе. Почти все молекулы за небольшим исключением, встречающиеся в клетке, относятся к соединениям углерода и рассматриваются в курсе органической химии. Однако вода встречается и в живой, и в неживой природе. В среднем почти 70% от массы живых организмов составляет вода. Но содержание воды в клетке может колебаться в зависимости, например, от ее конкретного вида или возраста. Помимо воды в клетках в значительных количествах встречаются некоторые соли, которые важны для осуществления функций живых организмов.
Вода (H2O) представляет собой вещество, которое в физическом и химическом отношении существенно отличается от других растворителей. Жизнь возникла в первичном океане, и в процессе дальнейшего развития природа использовала уникальные свойства воды.
У воды в отличии от других жидкостей необычайно высокие температуры кипения и плавления и высокая удельная теплоемкость. Также отличительными особенностями воды являются большая удельная теплота испарения, плавления и высокое поверхностное натяжение. Вода имеет все эти свойства благодаря тому, что ее молекулы более прочно связаны друг с другом в отличии от молекул других растворителей.
Эти уникальные свойства воды оказывают большое влияние на жизнедеятельность клеток. Например, высокая теплоемкость воды, т.е. способность поглощать тепло при незначительном изменении своей собственной температуры, предохраняет клетки от резких изменений температуры. Высокую теплоту испарения воды живые организмы используют для предохранения от перегрева. Вспомним, что испарение жидкости животными и растениями — это защитная реакция на повышение температуры. Благодаря высокой теплопроводности воды обеспечивается равномерное распределение теплоты по всему организму, а благодаря тому, что вода плохо сжимается, клетки обладают упругостью и могут поддерживать свою форму.
Свои уникальные физические и химические свойства вода получила благодаря особенностям структуры своей молекулы, а точнее, благодаря тому, как именно в молекуле воды располагаются электроны в атомах кислорода и водорода. Два электрона, располагающиеся на внешней электронной орбите атома кислорода в молекуле воды, объединяются с двумя электронами, принадлежащими атомам водорода (у атома водорода на внешней орбите только один электрон). Благодаря этому в молекуле воды образуются две ковалентные связи (между атомом кислорода и двумя атомами водорода). Электроотрицательность * атома кислорода выше, чем у атомов водорода, благодаря чему, электроны притягиваются к нему сильнее. В результате этого на атоме кислорода появляется частично отрицательный заряд, а на атомах водорода — частично положительный. Между более отрицательно заряженными атомами кислорода одних молекул воды и более положительно заряженными атомами водорода других молекул воды образуются так называемые водородные связи, и молекулы воды оказываются связанными между собой.
* Электроотрицательность — это способность атома в молекуле смещать к себе общие электронные пары. Относится к фунадментальным свойствам атома и выражается в количественных характеристиках.
5 молекул воды с водородными связями между ними
На рисунке изображены молекулы воды. Ковалентные связи связывают атомы кислорода и водорода внутри каждой молекулы (сплошные линии), а водородные связи образуются между соседними молекулами (пунктирные линии).
Водородные связи примерно в 20 раз более слабые, чем ковалентные. Поэтому они легко образуются и разрываются. Даже при температуре кипения (100°С) взамодействие между молекулами воды остается достаточно сильным. Именно водородные связи обеспечивают структурированность воды и объясняют такие ее свойства, как высокие температуры кипения и плавления, а также высокую теплоемкость.
Другое важное свойство молекулы воды — ее дипольность. В молекуле воды, как отмечалось ранее, атомы кислорода имеют небольшой отрицательный заряд, а атомы водорода — положительный. Т.к. угол между связями H-O-H составляет 104.5°, получается, что отрицательный заряд в молекуле воды сосредотачивается на одной стороне, а положительный — на другой. Благодаря дипольности молекулы воды имеют способность к ориентации в электрическом поле. Это свойство объясняет, что вода является уникальным растворителем. Если в молекулах веществ присутствуют заряженные группы атомов, они, вступая в электростатическое взаимодействие с молекулами воды, растворяются в ней. Такие вещества с заряженными или полярными группами, растворяющиеся в воде, называются гидрофильными.
Растворение NaCl в воде.
Способность воды растворять кристалл NaCl зависит от электростатического притяжения между полярными молекулами воды и заряженными ионами натрия и хлора.
К гидрофильным соединениям, которые в большом количестве есть в клетках, относятся соли, некоторые низкомолекулярные органические соединения (органические кислоты, аминокислоты, простые сахара), а также полимеры: некоторые полисахариды, белки, нуклеиновые кислоты. Однако существует ряд веществ, почти не имеющих заряженных атомов, и, поэтому, не растворяющихся в воде. Такие вещества называются гидрофобными. К ним, например, относятся липиды (жиры). Гидрофобные вещества не взаимодействуют с водой, но могут взаимодействовать друг с другом. Поэтому они хорошо растворяются в некоторых органических растворителях, как, например, хлороформ. Липиды, относящиеся к гидрофобным соединениям, формируют двумерные структуры (биологические мембраны), практически непроницаемые для воды.
По сравнению с другими растворителями вода может растворить больше химических веществ, благодаря своей полярности. Жизнедеятельность клетки невозможна без многочисленных химических реакций, которые осуществляются в ее водной среде, где растворены различные химические вещества. Также вода растворяет и продукты реакций. Затем в растворенном виде они выводятся из клеток и многоклеточных организмов. За счет перемещения воды в организмах животных и растений осуществляется обмен различными веществами между тканями. Еще одним важным свойством воды является то, что, как химическое соединение, вода вступает во многие химические реакции, которые протекают в клетке. Такие реакции называют реакциями гидролиза. В свою очередь, молекулы воды сами образуются в результате многих реакций в клетках живых организмов.
Т.к. масса атома водорода мала, а атом кислорода в молекуле воды удерживает его единственный электрон, протон (ядро атома водорода, лишенное электрона) способен отрываться от молекулы воды. В результате этого из молекулы воды образуются гидроксильный ион (ОН — ) и протон (Н + ).
H2O H + + OH —
Данный процесс называют диссоциацией воды. Гидроксильные ионы и протоны, которые образуются при диссоциации воды, являются, в свою очередь, участниками многих важных реакций в живых организмах.
В жизнедеятельности клетки также очень важны соли, растворенные в воде. Главным образом соли представлены катионами калия (К + ), натрия (Na + ), магния (Mg 2+ ), кальция (Ca 2+ ) и других металлов, а также анионами соляной (Cl — ), угольной (НСО3 — ) и фосфорных кислот (Н2РО4 — , НРО4 2- ).
Многие катионы характеризуются неравномерным распределением между клеткой и окружающей ее средой. Например, для цитоплазмы характерна более высокая концентрация К + , чем для окружающей клетку среды, между тем, в той же цитоплазме концентрация Na + и Са 2+ будет ниже, чем снаружи клетки. В качестве внешней среды по по отношению к клетке может выступать не только природная среда, например, океан, но и жидкости внутри живого организма, такие как кровь или тканевая жидкость, близкие по своему ионному составу к морской воде. В процессе жизнедеятельности неравномерное распределение катионов между клетками и окружающей их средой постоянно поддерживается, на это затрачивается значительная часть энергии в клетках. Такая неравномерная концентрация ионов между клетками и окружающей их средой необходима для многих процессов жизнедеятельности, к примеру, для передачи возбуждения по нервным и мышечным клеткам или сокращения мышц. Когда клетка умирает, концентрация катионов внутри нее и снаружи быстро становится одинаковой.
Кислотность цитоплазмы клетки в процессе жизнедеятельности практически нейтральная (т.е. значение концентрации ионов водорода (рН) в цитоплазме находится в диапазоне 6,5-7,5). Это происходит несмотря на то, что в процессе жизнедеятельности в клетке образуются и щелочи, и кислоты. Важную роль в поддержании нейтральной кислотности играют анионы слабых кислот (НСО3 — , НРО4 2- ), содержащиеся в клетке. Анионы слабых кислот нейтрализуют внутриклеточную среду, связывая протоны кислот и гидроксильные ионы щелочей.
Необходимо отметить, что анионы слабых кислот вступают в химические реакции, происходящие в клетке. Например, для синтеза АТФ, одного из важных соединений для клетки, необходимы анионы фосфорной кислоты. О синтезе АТФ я расскажу более подробно позднее. Неорганические вещества в живых организмах содержатся не только в растворенном, но и в твердом состоянии. В качестве примера можно привести кости, где преобладает фосфат кальция и в меньшем количестве фосфат магния. В раковинах моллюсков преобладает карбонат кальция.
- Для учеников 1-11 классов и дошкольников
- Бесплатные сертификаты учителям и участникам
Цель : Организовать деятельность учеников по восприятию, осмыслению, первичному запоминанию новых знаний и способов деятельности.
Обеспечить закрепление знаний и способов деятельности учащихся.
Создать содержательные и организационные условия для самостоятельного применения учениками комплекса знаний и способов деятельности.
Организовать деятельность учащихся по обобщению знаний и способов деятельности.
Организовать проверку и оценку знаний и способов деятельности учащихся, организовать работу учащихся по коррекции своих знаний и способов деятельности.
Обучающие: продолжить развитие понятий о клетке. Сформировать знания о неорганических веществах клетки. Рассмотреть значение неорганических веществ для жизнедеятельности клетки.
Развивающие : развитие речи, памяти, воображения, умения делать выводы и обобщения.
Воспитательные : защищать свои убеждения, давать оценку своей деятельности.
Оборудование: таблицы, презентация
Организационный этап
Актуализация опорных знаний
Фронтальный опрос(Слайд 2)
1.Что изучает биология?
2.Какие биологические науки вы знаете?
3.Что изучает цитология?
4.Знания каких биологических наук вы применяете каждый день?
Изучение нового материала.
– Одним из основных общих признаков живых организмов является единство их элементарного химического состава. Независимо от того, к какому царству, типу или классу принадлежит то или иное живое существо, в состав его тела входят одни и те же, так называемые универсальные химические элементы. Сходство в химическом составе разных клеток свидетельствует о единстве их происхождения. Но количественное содержание тех или иных элементов в живых организмах и в окружающей их неживой среде существенно отличается.
– Что такое химический элемент? (Химический элемент – это определенные вид атомов с одинаковым зарядом ядра.)
Какие химические элементы преобладают в земной коре? (Кислород, кремний, алюминий, железо, магний, натрий, кальций – эти элементы составляют ≈ 98% массы земной коры) ( 3 слайд)
А какие химические элементы преобладают в живых организмах?
В клетках живых организмов встречается 90 различных химических элементов, из них 25 обнаружены практически во всех клетках. Эти химические элементы необходимы для их жизнедеятельности. Остальные элементы, вероятно, попадают в организм с водой, пищей, воздухом и не участвуют в жизнедеятельности.
Задача: (слайд 5) Подсчитайте, сколько в человеке массой 85 кг будет составлять каждый элемент. ( Ответ: (слайд 5) кислород – 59,5 кг; углерод – 13,6 кг; водород – 7,65 кг; азот – 2, 125кг; кальций – 0, 85 кг; фосфор – 0,425кг; калий – 0,255 кг.)
Мы с вами выяснили, какова масса биогенов в организме человека определенной массы. Давайте посмотрим какие еще элементы есть в живых организмах.
По количественному содержанию в живых системах все химические элементы подразделяются на четыре группы: макроэлементы, мезоэлементы, микроэлементы, ультрамикроэлементы. (слайд 6)
Ультрамикроэлементы – бор, бром, серебро, золото, селен, мышьяк и др. Эти элементы составляют менее 0,000001%. Функции ультрамикроэлементов еще полностью не изучены, имеются лишь отдельные сведения о них: например, выяснено, что недостаток селена приводит к развитию раковых заболеваний.
Обратимся к таблице и посмотрим роль в организме некоторых элементов-биогенов. (слайд 7)
Перенос электронов при фотосинтезе и дыхании
Декарбоксилазы, дегидрогеназы
Окисление жирных кислот, участие в процессах дыхания и фотосинтеза
Транспорт кислорода у некоторых беспозвоночных
Образование меланина
Витамин В 12
Формирование эритроцитов
Алькогольдегидрогеназа
Анаэробное дыхание у растений
Карбоангидраза
Транспорт СО 2 у позвоночных
Фторид кальция
Костная ткань, зубная эмаль
Регуляция основного обмена
Нитрогеназа
Фиксация азота
Учитель обращает внимание учащихся на то, что именно макроэлементы – кислород, углерод, водород и азот – обеспечивает большинство функций в организме, и задает вопрос:
– Почему данные элементы-биогены подходят для выполнения биологических функций?
Учащиеся из курса химии вспоминают о строении атомов биогенов, их расположении в первых периодах периодической системы Д.И.Менделеева, их общих свойствах – способности к образованию ковалентных связей посредством спаривания электронов с отдачей или присоединением при этом от одного до шести электронов. Кроме того, органеллы могут легко реагировать друг с другом, образуя при этом разнообразные химические соединения. Эти элементы имеют малую атомную массу (относительно малый радиус), то есть они сочетают легкость с прочностью ковалентных связей между ними. (слайд 8)
Содержание тех или иных элементов в организме определяется не только особенностями данного организма, но также составом среды, в которой он обитает, и той пищей, которую он использует. Геологическая история нашей планеты, особенности почвообразовательных процессов привели к тому, что на поверхности Земли сформировались области, которые отличаются друг от друга по содержанию химических элементов. Резкий недостаток или, наоборот, избыток какого-либо химического элемента вызывает в пределах таких зон возникновение биогеохимических эндемий – заболеваний растений, животных и человека.
Одни и те же химические элементы входят в состав как неорганических веществ (воды и минеральных солей), характерных и для живых организмов и существующих в неживой природе, так и органических веществ – углеводов, липидов, белков, нуклеиновых кислот, витаминов и др., характерных только для живых организмов.
Рассмотрим самое распространенное в живых организмах неорганическое соединение – воду, её роль в клетке.
Вода абсолютно необходима для всех известных форм жизни – не случайно человеческое тело на 60–70 % состоит из воды. Кроме того, она является средой обитания для многих организмов. Содержание воды в организме колеблется:
В слюне, желудочном соке, грудном молоке содержится 90 – 99%.
В клетках развивающего зародыша её более 90%.
В крови – около 83%.
Клетки взрослого организма – 80%.
В костях всего лишь 15 – 20%.
Время обновления количества воды, равного весу тела, колеблется в зависимости от окружающей среды, к которой адаптирован организм; для амебы оно составляет 7 дней; для человека 4 недели; для верблюда 3 месяца; для черепахи 1 год; для кактуса 29 лет.
Для учащихся 10 класса (биолого-химический профиль) содержание урока, справочный материал, дополнительный материал.
Тема: Неорганические вещества клетки: вода и минеральные соли, их роль.
Цель: изучить функции воды и минеральных солей в клетке.
Содержание урока
1. Молекулярный состав
Химические элементы входят в состав клеток в виде ионов и молекул неорганических и органических веществ. Важнейшие неорганические вещества в клетке – вода и минеральные соли, важнейшие органические вещества – углеводы, липиды, белки и нуклеиновые кислоты.
Содержание химических соединений в клетке
Содержание в клетке химических соединений (% на сырую массу):
-нуклеиновые кислоты – 1-2%;
-низкомолекулярные органические соединения – 0,1-0,5%;
-неорганические вещества – 1,0-1,5%.
Значительная часть соединений, входящих в состав клетки, встречается в больших количествах только в живой природе. Это органические вещества. Однако есть соединение, которое одинаково характерно как для живой, так и для неживой природы - это вода.
Среди веществ клетки вода по массе стоит на первом месте (структурная функция). Содержание воды в разных клетках различается. В большинстве случаев вода составляет более ¾ массы клетки. Вода в клетке присутствует в двух формах: свободной (95% всей воды клетки) и связанной (4-5% связаны с белками).
Считается, что миллиарды лет тому назад в первичном океане на нашей планете зародилась жизнь, и вся дальнейшая эволюция природы была неразрывно связана с водой. И в настоящее время вода для многих организмов это еще и среда обитания. Уникальные свойства этой относительно небольшой молекулы позволили нашей планете стать такой, какая она есть сейчас. Все жители Земли, растения, животные, грибы и бактерии, обязаны воде жизнью. В чем же заключается особенность этого вещества?
Из курса химии известно, что молекула воды электронейтральна.
По своей электроотрицательности (способности присоединять электроны) кислород уступает только фтору, самому активному неметаллу. Электроотрицательность же водорода достаточно низка. Как следствие, в молекуле воды общая электронная пара, образующая ковалентную связь между атомом кислорода и каждым атомом водорода, оттягивается к атому кислорода. В результате этого он приобретает частично отрицательный заряд, а атомы водорода – частично положительные заряды. Электрический заряд внутри молекулы распределен неравномерно: в области атомов водорода преобладает положительный заряд, в области, где расположен атом кислорода, выше плотность отрицательного заряда.
Угол между связями О-Н в молекуле воды составляет 104,5°. Таким образом, атомы кислорода и водорода в ней не лежат на одной прямой. Благодаря этому молекула воды представляет собой диполь, в котором на одном полюсе находится отрицательный заряд (атом кислорода), а на другом – положительный (атомы водорода).
Диполи воды несут заряды, при их взаимодействии друг с другом и другими полярными молекулами важную роль играют силы электростатического (кулоновского) взаимодействия. Это приводит к тому, что атомы, имеющие противоположные заряды, притягиваются и между ними устанавливается нековалентная связь, называемая водородной (вообще такая связь может образоваться и между атомами водорода и азота, водорода и хлора, то есть между водородом и любым сильно отрицательным атомом). Отрицательно заряженный атом кислорода одной молекулы притягивается к положительно заряженному атому водорода другой молекулы с образованием водородной связи. Водородная связь гораздо слабее любой ковалентной, но за счет большого количества (а каждая молекула воды способна взаимодействовать с 4 другими молекулами воды) эти связи существенно влияют на физические свойства воды. Высокие температура кипения, температура плавления, большие теплоемкость и теплота парообразования объясняются тем, что большая часть подводимого при нагревании тепла расходуется не на приращение внутренней энергии молекул воды, а на разрыв водородных связей между ними.
Дипольностью молекулы воды объясняется ее способность ориентироваться в электрическом поле, присоединяться к различным молекулам и участкам молекул, несущих заряд. В результате этого образуются гидраты.
Способностью воды образовывать гидраты обусловлены ее универсальные растворяющие свойства. Вода – универсальный растворитель. Если силы притяжения молекул воды к молекулам какого-либо вещества больше, чем силы притяжения между молекулами воды, то вещество растворяется.
Любые вещества, имеющие заряженные группы, растворяются в воде. Такие соединения называют гидрофильными (от греческого hydros – вода и phileo - люблю). Большинство веществ, присутствующих в клетке, относится к этой группе, например, соли, аминокислоты, сахара, белки, простые спирты, альдегиды, азотистые основания. Когда вещество переходит в раствор, его реакционная способность увеличивается.
Однако есть соединения, которые в воде растворяются очень плохо или вовсе не растворяются. Такие вещества называют гидрофобными (от греческого hydros – вода и phobos - страх), к ним относятся, в частности, жиры, жироподобные вещества (липоиды), полисахариды и некоторые белки.
Промежуточное положение занимают амфипатические соединения, например, липиды, содержащие как гидрофобные (углеводородная цепь жирной кислоты), так и гидрофильные (атомы кислорода сложноэфирной группировки, образующие связь между глицерином и жирной кислотой) группы. Они входят в состав клеточных мембран, ограничивают переход растворенных веществ из наружной среды в клетки и обратно, а также из одних частей клетки в другие.
Большинство процессов, которые протекают внутри клетки, могут осуществляться только в водной среде. Но вода не только обеспечивает условия химических реакций, она сама участвует во многих метаболических процессах. Например, расщепление белков, углеводов и других органических веществ происходит в результате катализируемого ферментами взаимодействия их с водой. Такие реакции называют реакциями гидролиза (от греческого hydros и lysis - расщепление). В реакциях гидролиза (реакции ионного обмена между различными веществами и водой) белки расщепляются до аминокислот, а крахмал до глюкозы. В реакциях гидролиза вода тратится. Образование биополимеров из мономеров сопровождается образованием молекул воды. Высвобождение энергии в организме происходит при взаимодействии с водой главной энергетической молекулы – АТФ. Вода участвует в реакциях фотосинтеза и в синтезе АТФ в митохондриях. Вода источник кислорода, выделяемого растениями в атмосферу, и водорода, который используется для синтеза органических веществ.
Сочетание высокой теплоемкости и теплопроводности делает воду идеальной жидкостью для поддержания теплового равновесия. Тепло быстро и равномерно распределяется между всеми частями организма. Высокая теплоемкость воды позволяет ей смягчать влияние на организм значительных перепадов температуры в окружающей среде.
Способность молекул воды при испарении уносить с собой значительное количество тепла (высокая теплота испарения), охлаждая организм, используется при потоотделении у млекопитающих, тепловой одышке у крокодилов и транспирации у растений, предотвращая перегрев.
Высокая интенсивность испарения приводит к быстрой потере тепла и предохраняет от перегрева: испарение у растений и потоотделение у животных являются защитными реакциями и позволяют при минимальной потере воды существенно снизить температуру тела.
Практически полная несжимаемость воды обеспечивает поддержание формы клетки, а вязкость придает воде свойства смазки.
Высокая сила поверхностного натяжения воды обеспечивает восходящий и нисходящий транспорт веществ в растениях и движение крови в капиллярах. Многие мелкие организмы легко удерживаются и передвигаются по поверхности воды, благодаря наличию пленки поверхностного натяжения. Вода принимает участие в удалении ненужных продуктов из организма.
Высокое содержание воды в клетке – важнейшее условие ее деятельности. При потере части воды ряд одноклеточных и многоклеточных организмов временно утрачивает признаки жизни. Такое состояние называется анабиозом. После увлажнения клетки пробуждаются и становятся вновь активными. При потере значительной части воды организмы гибнут.
Важную роль в жизнедеятельности клетки играют минеральные соли, представленные в основном катионами калия (К + ), натрия (Nа + ), кальция (Са 2+ ), магния (Mg 2+ ) и анионами соляной (Cl - ), угольной (НСО3 - ), фосфорной (НРО4 2- , Н2РО4 - ) и некоторых других кислот. Существенным является не только концентрация, но и соотношение отдельных ионов в клетке. Многие ионы неравномерно распределены между клеткой и окружающей средой, так, например, в цитоплазме концентрация ионов калия в 20-30 раз выше, чем снаружи, а концентрация ионов натрия внутри клетки, наоборот, в 10 раз ниже. Именно благодаря существованию подобных градиентов концентрации осуществляются многие важные процессы жизнедеятельности, такие, как возбуждение нервных клеток, сокращение мышечных волокон. После гибели клетки концентрация катионов снаружи и внутри быстро выравнивается.
Характеристика
Поддержание кислотно-щелочного равновесия
Наиболее важные буферные системы млекопитающих – фосфатная и бикарбонатная. Фосфатная буферная система (НРО4 2- , Н2РО4 - ) поддерживает рН внутриклеточной жидкости в пределах 6,9-7,4. Бикарбонатная система (НСО3 - и Н2СО3) сохраняет рН внеклеточной среды (плазмы крови) на уровне 7,4
Участие в создании мембранных потенциалов клеток
В составе наружной клеточной мембраны клетки имеются так называемые ионные насосы. Один из них натрий-калиевый насос – белок, пронизывающий плазматическую мембрану, накачивает ионы калия внутрь клетки и выкачивает из нее ионы натрия. При этом на каждые два поглощенных иона калия выводятся три иона натрия. В результате образуется разность зарядов (потенциалов) внешней и внутренней поверхностей мембраны клеток: внутренняя сторона заряжена отрицательно, наружная – положительно. Разность потенциалов необходима для передачи возбуждения по нерву или мышце.
Ионы Са, Mg, Fe, Zn, Cu, Mn, Co и других металлов являются компонентами многих ферментов, гормонов и витаминов.
Создание осмотического давления в клетке
Более высокая концентрация ионов солей внутри клетки обеспечивает поступление в нее воды и создание тургорного давления.
Соединения азота, фосфора, серы и другие неорганические вещества служат источником строительного материала для синтеза органических молекул (аминокислот, белков, нуклеиновых кислот и др.) и входят в состав ряда опорных структур клетки и организма (образование наружного и внутреннего скелета). Соли кальция и фосфора входят в состав костной ткани животных, формируют раковины моллюсков.
Кроме того, соляная кислота входит в состав желудочного сока животных и человека, ускоряя процессы переваривания белков пищи. Остатки серной кислоты способствуют выведению чужеродных веществ из организма. Натриевые и калиевые соли азотистой и фосфорной кислот, кальциевая соль серной кислоты служат важными компонентами минерального питания растений, их вносят в почву в качестве удобрений.
Закрепление
1.Каковы особенности пространственной организации молекул воды, обуславливающие ее биологическое значение?
2. Какие свойства молекул воды характеризуют воду как растворитель? Как связать ее строение с физическими и химическими свойствами и биологическими функциями?
3. В чем заключается биологическая роль воды?
4. Какие вещества называются гидрофильными?
5. Какие вещества называются гидрофобными?
6. Какие вещества поддерживают рН клетки на постоянном уровне?
7. Расскажите о роли минеральных солей в жизнедеятельности клетки.
Обобщение: Сформулируйте вывод по уроку!
Домашнее задание: Конспект в тетради учить.
Справочный материал
(Читать! Таблицы можно вклеить в тетрадь, не переписывать!)
Физическое свойство
Сочетание высокой теплоемкости (благодаря наличию водородных связей между молекулами) и высокой теплопроводности (из-за небольших размеров самих молекул)
1. Идеальная жидкость для поддержания теплового равновесия организма – большое количество воды в клетках придает организму термостабильность и, кроме того, указанные физические свойства дают возможность значительно охладиться при минимальной потере воды.
2. Круговорот воды в природе является одним из элементов формирования погоды в данное время, а также климата в целом.
Транспирация у растений, потоотделение у млекопитающих
Периодическое выпадение осадков. Исторически сложившиеся условия увлажнения в различных природных зонах
Прозрачность в видимом участке спектра
Возможность фотосинтеза на небольшой глубине и, следовательно, возможность существования связанных с ним пищевых цепей
Высокопродуктивные биоценозы прудов, озер, рек, морского шельфа
Практически полная несжимаемость (благодаря силам межмолекулярного сцепления)
Поддержание формы организмов
Тургорное давление придает форму сочным органам и тканям растений, у травянистых растений обеспечивает положение в пространстве.
Гидростатический скелет (круглые черви, медузы).
Амниотическая жидкость поддерживает и защищает плод млекопитающих
Подвижность молекул (вследствие слабости водородных связей)
Поступление воды из почвы; плазмолиз
Вязкость (благодаря наличию водородных связей)
Плевральная жидкость уменьшает трение между грудной клеткой и легкими во время дыхания.
Хороший растворитель (благодаря полярности молекул)
Самый распространенный в природе растворитель (в воде растворяется большинство веществ, необходимых организмам), среда протекания многих химических реакций в организме
Кровь, тканевая жидкость, лимфа, желудочный сок, слюна – у животных.
Клеточный сок (водный раствор белков, сахаридов, органических кислот, пигментов и др.) – у растений.
Организмы, живущие в водной среде, используют кислород, растворенный в воде
Способность образовывать гидратационную оболочку вокруг макромолекул (благодаря полярности молекул)
Является дисперсионной средой в коллоидной системе цитоплазмы
Оптимальное для биологических систем значение силы поверхностного натяжения (определяемого силами межмолекулярного сцепления)
Водные растворы являются средством передвижения веществ в организме
Капиллярный кровоток; восходящий и нисходящий токи растворов в растении
Расширение при замерзании (благодаря образованию каждой молекулой максимального числа – четырех водородных связей)
Лед легче воды, он образуется на поверхности водоемов и выполняет функцию теплоизоляции – защищает от холода находящиеся в воде организмы
Сохранение зимой биоценозов замерзающих озер, прудов и рек
Характеристика
Вода как растворитель
Вода является лучшим из известных растворителей, в ней растворяется больше веществ, чем в любой другой жидкости. Многие химические реакции в клетке являются ионными, поэтому протекают только в водной среде. Молекулы воды полярны, поэтому вещества, молекулы которых также полярны, хорошо растворяются в воде, а вещества, молекулы которых не полярны, не растворяются (плохо растворяются) в воде.
Вода как реагент
Вода участвует во многих химических реакциях: реакциях гидролиза, полимеризации, в процессе фотосинтеза и др.
Передвижение по организму вместе с водой растворенных в ней веществ к различным его частям и выведение ненужных продуктов из организма.
Вода как термостабилизатор и терморегулятор
Эта функция обусловлена такими свойствами воды, как высокая теплоемкость (благодаря наличию водородных связей): смягчает влияние на организм значительных перепадов температур в окружающей среде; высокая теплопроводность (вследствие небольших размеров молекул) позволяет организму поддерживать одинаковую температуру во всем его объеме; высокая теплота испарения (благодаря наличию водородных связей); вода используется для охлаждения организма при потоотделении у млекопитающих и транспирации растений.
Цитоплазма клеток содержит обычно 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, круглые черви). Это возможно благодаря такому свойству воды, как полная несжимаемость)
Метаболическая функция
Участие в реакциях гидролиза
1) I этап диссимиляции
Гидролиз биополимеров до мономеров:
Белки + вода = аминокислоты
Крахмал + вода = глюкоза
Жир + вода = глицерин + жирные кислоты
2) высвобождение энергии АТФ
АТФ + Н2О = АДФ + Н3РО4 + Е (40 кДж)
Фотолиз воды внутри тилакоидов хлоропластов в ходе световой фазы фотосинтеза
Источник атомарного водорода
Восстановление продуктов ассимиляции в ходе темновой фазы фотосинтеза
Источник протонов для работы протонных насосов
1) синтез АТФ в митохондриях на III этапе диссимиляции
2) синтез АТФ в хлоропластах
Дополнительный материал (не обязательный для запоминания)
Жидкость в подчерепном пространстве предохраняет от сотрясения головной мозг.
Жидкость в околосердечной сумке – перикарде облегчает движения сердца при его сокращениях.
Это самый низкий уровень организации живого, представленный отдельными молекулами органических и неорганических веществ, входящих в состав клеток организма. Жизнь можно представить как организационную иерархию вещества. В живых существах элементы образуют очень сложные органические молекулы, из которых в свою очередь состоят клетки, а из тех – целый организм. Жизнедеятельность всех живых систем проявляется во взаимодействии молекул различных химических веществ.
Элементный состав клетки
В составе живой природы обнаружено более 80 химических элементов, 27 из них выполняют определенные функции.
98% – биогенные: О, С, Н, N
K, Na, Ca, Mg, Fe, Cl, S, P.
B, Mn, Zn, Cu, Co, F, I, Br, Mo.
U, Au, Be, Hg, Se, Ra, Cs.
Некоторые организмы – интенсивные накопители определенных элементов: бактерии способны накапливать марганец, морские водоросли – йод, ряска – радий, моллюски и ракообразные – медь, позвоночные – железо.
Каждый из химических элементов выполняет важную функцию в клетке.
входят в состав воды.
входят в состав белков, липидов, нуклеиновых кислот, полисахаридов.
обеспечивают проведение нервного импульса.
компонент костей, зубов, необходим для мышечного
сокращения, компонент свертывания крови, посредник в механизме действия гормонов.
структурный компонент хлорофилла, поддерживает
работу рибосом и митохондрий.
структурный компонент гемоглобина, миоглобина.
входит в состав серосодержащих аминокислот, белков.
входит в состав нуклеиновых кислот, костной ткани.
необходим некоторым растениям.
активаторы ферментов, влияют на процессы тканевого дыхания.
входит в состав инсулина.
входит в состав окислительных ферментов, переносит кислород в тканях моллюсков.
входит в состав витамина В 12 .
входит в состав эмали зубов.
входит в состав тироксина.
Химические вещества клетки
минеральные соли – 11,5%.
углеводы – 0,2 – 2%;
нуклеиновые кислоты – 1 – 2%.
Уникальное строение воды, её свойства и роль в живой природе
Строение и свойства воды
Биологические функции воды
1. Малые размеры молекул воды, молекула воды нелинейна.
1. Вода – среда для протекания биохимических реакций в клетках.
2. Вода – донор электронов, источник ионов водорода и свободного кислорода при фотосинтезе.
3. Вода необходима для гидролиза макромолекул до мономеров, например, в пищеварении.
4. Вода обусловливает рН среды, что определяется концентрацией Н + и ОН - .
2. Полярность, молекула воды – диполь.
5. Вода – универсальный растворитель для полярных веществ. По растворимости в воде все вещества подразделяют на гидрофильные (водорастворимые) и гидрофобные (нерастворимые).
6. Вода – среда для транспорта веществ.
3. Способность образовывать водородные связи, подвижность молекул воды.
7. Вода обладает высокой теплопроводностью и большой теплоемкостью, выполняет функцию терморегуляции в живых организмах (т.к. для разрыва водородных связей нужно много Е).
4. Силы межмолекулярного сцепления не позволяют воде сжиматься.
9. Вода служит для поддержания формы организмов (гидростатический скелет, тургорное давление).
10. Вода – смазывающее вещество в биологических системах (синовиальная жидкость, плевральная жидкость, слизь).
Минеральные соли, их значение
Минеральные соли находятся в клетке либо в диссоциированном на ионы, либо в твердом состоянии.
Молекулы солей в водном растворе распадаются на катионы и анионы. Их значение:
- Разность между количеством катионов и анионов на поверхности и внутри клетки обеспечивает возникновение потенциала действия, что лежит в основе возникновения нервного и мышечного возбуждения.
- Разностью концентрации ионов по разные стороны мембраны обусловлен активный перенос веществ через мембрану.
- От концентрации солей внутри клетки зависят буферные свойства клетки.
Буферные свойства клетки
фосфатная буферная система
бикарбонатная буферная система
анионы фосфорной кислоты
(Н 2 РО 4 - , НРО 4 2- )
анионы угольной кислоты
рН внутриклеточной среды
рН внеклеточной среды
- Участвуют в активации ферментов, создании осмотического давления в клетке, в процессах мышечного сокращения, свертывании крови и др.
Таким образом, функция минеральных солей в клетке состоит в поддержании постоянства внутренней среды и в обеспечении процессов жизнедеятельности.
В твердом состоянии минеральные соли Са 3 (РО 4 ) 2 (фосфат кальция) входят в состав межклеточного вещества костной ткани, в раковины моллюсков, обеспечивая прочность этих образований.
2. Тесты с выбором одного правильного ответа
1. Какой из химических элементов одновременно входит в состав костной ткани и нуклеиновых кислот?
2. У детей развивается рахит при недостатке:
а) марганца и железа;
б) кальция и фосфора;
3. Передача возбуждения по нерву или мышце объясняется:
а) изменением концентраций ионов натрия и калия внутри и вне клетки;
б) разрывом водородных связей между молекулами воды;
в) изменением концентрации водородных ионов;
г) теплопроводностью воды.
4. Основу реакционного центра хлорофилла составляет атом:
5. К биогенным элементам относятся:
6. При замерзании воды расстояние между её молекулами:
в) не изменяется.
7. Какое из свойств воды обусловлено её полярностью?
в) способность растворять неполярные соединения;
г) способность растворять полярные соединения.
8. Какие химические связи возникают между атомами в молекуле воды?
9. Поверхностное натяжение воды обусловлено:
а) ковалентными связями;
б) ионными связями;
в) водородными связями.
10. При испарении воды с поверхности тела расстояние между её молекулами:
в) не изменяется.
11. Какое свойство воды делает её хорошим растворителем в биологических системах?
а) высокая теплоемкость;
б) медленный нагрев и остывание;
в) высокая теплопроводность;
г) полярность молекул.
12. Твердость кости придают:
б) липиды и углеводы;
в) глюкоза и гликоген;
г) минеральные соли.
13. Почему в магазинах продают соль, обогащенную йодом?
а) йод влияет на изменение состава крови;
б) йод нормализует деятельность щитовидной железы;
в) йод предупреждает заболевание туберкулезом;
г) йод способствует образованию витамина D.
14. Вещества, хорошо растворимые в воде, называются:
15. К органическим веществам клетки относятся:
а) белки и липиды;
б) минеральные соли и углеводы;
в) вода и нуклеиновые кислоты:
г) все правильно.
3. Заполните пропуски
(заполните пропуски в предложениях, используя слова,
В молекуле воды (1…) атом кислорода (2…) связан с (3…) атомами водорода. Молекула воды (4…), т.к. кислород электроотрицательнее водорода. Между атомом кислорода одной молекулы и атомом (5…) другой молекулы воды образуется (6…).
Полярностью молекул воды обеспечивается ее способность (7…) другие полярные соединения. А наличием множества слабых водородных связей обеспечиваются такие её свойства, как высокая (8…) и (9…). Максимальную плотность вода имеет при температуре (10…). Поэтому лед (11…) воды и плавает на её поверхности. По отношению к воде все вещества клетки делятся на (12…) и (13…). К гидрофильным веществам относятся (14…), (15…), а к гидрофобным – (16…).
(Глюкоза, один, водорода, двумя, водородная связь, ковалентно, теплоемкость, полярна, теплопроводность, растворять, +4 0 С, соли, легче, гидрофобные, гидрофильные, жиры.)
4. Найдите ошибки в приведенном тексте, исправьте их
(укажите номера предложений, в которых сделаны ошибки, объясните их)
1. Вода – одно из самых распространенных органических веществ на Земле. 2. В клетках костной ткани до 20% воды, а в клетках мозга до 85%. 3. Свойства воды определяются структурой её молекул. 4. Ионные связи между атомами водорода и кислорода обеспечивают полярность молекулы воды и ее способность растворять неполярные соединения. 5. Между атомами кислорода одной молекулы воды и атомом водорода другой молекулы образуется сильная водородная связь, чем объясняется высокая температура кипения воды.
По теме: методические разработки, презентации и конспекты
Химическая организация клетки. Неорганические вещества клетки. (интегрированный урок: биология + химия)
Каждому человеку необходимы целостное мировоззрение и система ценностей, которыми он руководствуется в своей жизни. Ведь современный человек живет в многомерном пространстве культуры, и его быти.
Урок-зачет по теме: "Химическая организация клетки", биология, 10 класс
Урок разработан с целями:Осуществить контроль знаний, умений и навыков, приобретённых при изучении темы. Закрепить знания учащихся о химической организации клетки; проверить знания о .
Учение о клетке. Химическая организация клетки. Неорганические вещества.
Конспект занятия. Описание химических веществ, входящих в состав клетки и их роль.
Цель урока: изучение химического состава клетки, выявление роли неорганических веществ.
Разработка урока на тему: "Химическая организация клетки. Неорганические вещества, входящие в состав клетки"
Разработка урока с межпредметными связями на тему: "Химическая организация клетки. Неорганические вещества, входящие в состав клетки". Конспект и презентация к нему.
ХИМИЧЕСКАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ КЛЕТКИ. ЭЛЕМЕНТНЫЙ СОСТАВ КЛЕТОК. НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА ВОДА И МИНЕРАЛЬНЫЕ СОЛИ
Материал о химической организации клетки будет полезен не только при подготовке к экзаменам по биологии, но и по химии.
Читайте также: