Вода физические свойства биология

Из-за блокировщика рекламы некоторые функции на сайте могут работать некорректно! Пожалуйста, отключите блокировщик рекламы на этом сайте.

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.

Источник

§ 4. ВОДА И ЕЁ СВОЙСТВА

Основные понятия и ключевые термины: ВОДА. Гидрофильные соединения. Гидрофобные соединения.

Вспомните! Что такое оксиды?

Знакомьтесь!

Антуан де Сент-Экзюпери (1900-1944) — французский писатель и авиатор. Выдающимся художественным произведением художника (его Magnum opus) является сказка «Маленький принц», в которой есть известные всем строки: « 3 . С понижением температуры плотность уменьшается. Когда температура достигает точки замерзания 0 °С или опускается ниже, начинают образовываться мелкие кристаллики льда. При замерзании вода расширяется на 1 /₉ своего объёма, и эти кристаллики разрушают клетки. Растворение веществ в воде снижает её температуру замерзания. Поэтому в клетках растений для выдерживания низких температур накапливаются углеводы и масла, в клетках членистоногих — глицерол, в крови арктических рыб — особые белки-криопротекторы. Переход воды из жидкого в газообразное состояние требует затрат теплоты, что используется клетками и организмами для защиты от перегревания (например, транспирация у растений, потовыделение у животных). Выделяя нагретую воду и пар, они избавляются от избытка теплоты.

Основные свойства воды
Физические свойства	Химические свойства
1. Агрегатное состояние	1. Взаимодействие с определёнными кислотами, оксидами, основаниями и солями
2. Высокая теплоёмкость и теплопроводность
3. Поверхностное натяжение	2. Участие в гидролизе органических соединений
4. Несжимаемость	3. Способность к ионизации
5. Текучесть	3. Способность к ионизации

Вода способна поглощать большое количество теплоты с незначительным повышением собственной температуры: в этом суть её высокой теплоёмкости. Поэтому в клетках она является прекрасным «тепловым аккумулятором», предотвращая резкие изменения температуры. Вода обладает и теплопроводностью, что обеспечивает равномерное и быстрое распределение теплоты в организме.

Воде свойственно исключительно большое поверхностное натяжение, что определяется силами сцепления молекул воды между собой с образованием водородных связей. Силы притяжения между молекулами воды способствуют появлению плёнки на её поверхности, по устойчивости уступающей лишь поверхностной плёнке ртути. В живом поверхностное натяжение определяет форму клеток и их отдельных частей (например, при фагоцитозе). Молекулы воды благодаря силам сцепления между собой и с поверхностями, имеющими электрический заряд, способны «подниматься» тонкими трубчатыми отверстиями. Благодаря этому перемещаются жидкости сквозь поры клеточных стенок, по капиллярам животных и сосудам растений и т. п.

Ил. 5. Расположение молекул воды при растворении поваренной соли

Воде свойственны высокая упругость и несжимаемость, что обусловливает её значение как опоры. Эти свойства объясняют роль гидроскелета для червей, состояние напряжения в клетках растений, способствуют прохождению звуковых волн по клеткам (например, у дельфинов, кашалотов).

Для клеток большое значение имеют и химические свойства воды. Её амфотерность и способность к диссоциации (Н₂О⇄Н + + ОН — ) определяют взаимодействие с основаниями, солями, кислотами и участие в реакциях для поддержания рН цитоплазмы и межклеточных жидкостей (ил. 5).

Вода как реагент участвует в биологически важных реакциях разложения соединений с участием воды — реакциях гидролиза. Эти реакции являются основой гомеостаза, обмена веществ и превращения энергии. Например, гидролиз солей с образованием кислот или щелочей имеет значение для поддержания рН в биосистемах, гидролиз белков до аминокислот обеспечивает клетки строительным материалом и т. д.

Итак, жизненно важное значение воды определяется её уникальными физико-химическими свойствами.

Какие особенности строения молекул воды определяют её свойства?

В молекуле воды атомы водорода удерживаются у атома кислорода прочными ковалентными связями, благодаря этому вода является очень устойчивым соединением. Водяной пар начинает разлагаться на О₂ и Н₂ при температуре выше 1 000 °С.

В молекуле воды две пары общих электронов смещены к кислороду, поэтому электрический заряд внутри молекул распределён неравномерно: протоны Н + создают положительный заряд на одном полюсе, а пары электронов кислорода — отрицательный заряд на противоположном полюсе. Эти заряды равны по значению и расположены на определённом расстоянии друг от друга. Итак, молекула воды — это постоянный диполь, который может взаимодействовать с носителями положительных и отрицательных зарядов (дипольность молекул).

Ил. 6. Водородные связи между молекулами воды

Благодаря полярности соседние молекулы воды могут взаимодействовать между собой и с молекулами полярных веществ с образованием водородных связей, которые обусловливают уникальные физические свойства и биологические функции воды (ил. 6). Энергия этих связей составляет всего 4,5 ккал/моль, и благодаря тепловому движению они постоянно возникают и разрываются. Водородные связи — это связи, которые возникают между частично отрицательным зарядом на атоме кислорода одной молекулы воды и положительным зарядом на атоме водорода другой.

Итак, уникальные свойства воды определяются такими особенностями молекул воды, как: 1) наличие ковалентных связей между атомами; 2) наличие водородных связей между молекулами; 3) дипольность молекул; 4) малые размеры молекул.

ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ

Задание на применение знаний

Определите содержание воды в организме, для чего используйте следующие данные:

• содержание воды в организме людей разного возраста различно: у новорожденного — 73 %, у подростков — 65 %, у взрослого — 60 %, у пожилого человека — 55 % от массы тела

• около 95 % от общего количества воды в клетках приходится на свободную воду (является растворителем) и 5 % — на связанную воду (вода в связях с молекулами веществ).

Задание 1. Определите содержание воды в собственном организме. Задание 2. Определите содержание свободной и структурированной воды в собственном организме.

Ответьте на вопросы. Почему содержание воды у человека с возрастом уменьшается? Как это сказывается на жизненных функциях его организма? Почему в клетках большая часть содержимого приходится на свободную воду?

ОТНОШЕНИЕ

«Нет природного тела, которое могло бы сравниться с водой по влиянию на геологические процессы. Не только земная поверхность, но и глубинные части Земли определяются в существенных своих проявлениях существованием и свойствами ВОДЫ». Так писал украинский учёный В. Вернадский. Обоснуйте значение воды для жизни на Земле.

РЕЗУЛЬТАТ

Оценка

Задания для самоконтроля

1. Что такое вода? 2. Что такое гидрофильные и гидрофобные соединения? 3. Назовите основные функции воды. 4. Назовите основные свойства воды. 5. Назовите особенности строения молекул воды. 6. Какие связи обеспечивают взаимодействие молекул воды?

7. Объясните жизненно важную роль воды. 8. Какие основные свойства воды определяют её функции? 9. Какие особенности строения молекул воды определяют её свойства?

10. Как происходит регуляция содержания воды в живом организме?

Источник

Химический состав клетки. Неорганические вещества клетки. Физические свойства воды. Биологические функции воды.

Kaz-Ekzams.ru > Биология > Учебная литература по биологии > Биология-репетитор > Химический состав клетки. Неорганические вещества клетки. Физические свойства воды. Биологические функции воды.

1.2. Химический состав клетки. Неорганические вещества клетки

Цитология — наука, изучающая строение и функции клеток. Клетка является элементарной структурной и функциональной единицей живых организмов. Клеткам одноклеточных организмов присущи все свойства и функции живых систем. Клетки многоклеточных организмов дифференцированы по строению и функциям.

Атомный состав: в состав клетки входит около 70 элементов Периодической системы элементов Менделеева, причем 24 из них присутствуют во всех типах клеток.

Макроэлементы — Н, О, N, С, микроэлементы — Mg, Na, Са, Fe, К, Р, CI, S, ультрамикроэлементы — Zn, Сu, I, F, Мn, Со, Si и др.

Молекулярный состав: в состав клетки входят молекулы неорганических и органических соединений.

Неорганические вещества клетки

Вода. Молекула воды имеет нелинейную пространственную структуру и обладает полярностью. Между отдельными молекулами образуются водородные связи, определяющие физические и химические свойства воды.

Рис. 1. Молекула воды Рис. 2. Водородные связи между молекулами воды

Физические свойства воды:

вода может находиться в трех состояниях — жидком, твердом и газообразном;
вода — растворитель. Полярные молекулы воды растворяют полярные молекулы других веществ. Вещества, растворимые в воде, называют гидрофильными. Вещества, не растворимые в воде, — гидрофобными;
высокая удельная теплоемкость. Для разрыва водородных связей, удерживающих молекулы воды, требуется поглотить большое количество энергии. Это свойство воды обеспечивает поддержание теплового баланса в организме;
высокая теплота парообразования. Для испарения воды необходима достаточно большая энергия. Температура кипения воды выше, чем у многих других веществ. Это свойство воды предохраняет организм от перегрева;
молекулы воды находятся в постоянном движении, они сталкиваются друг с другом в жидкой фазе, что немаловажно для процессов обмена веществ;
сцепление и поверхностное натяжение. Водородные связи обусловливают вязкость воды и сцепление ее молекул с молекулами других веществ (когезия). Благодаря силам сцепления молекул на поверхности воды создается пленка, которую характеризует поверхностное натяжение;
плотность. При охлаждении движение молекул воды замедляется. Количество водородных связей между молекулами становится максимальным. Наибольшую плотность вода имеет при 4°С. Замерзая, вода расширяется (необходимо место для образования водородных связей), и ее плотность уменьшается, поэтому лед плавает на поверхности воды, что защищает водоем от промерзания;
способность к образованию коллоидных структур. Молекулы воды образуют вокруг нерастворимых молекул некоторых веществ оболочку, препятствующую образованию крупных частиц. Такое состояние этих молекул называется дисперсным (рассеянным). Мельчайшие частицы веществ, окруженные молекулами воды, образуют коллоидные растворы (цитоплазма, межклеточные жидкости).

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 и донором электронов при фотосинтезе, она необходима для гидролиза макромолекул до их мономеров;
участвует в образовании:
1. смазывающих жидкостей, которые уменьшают трение (синовиальная — в суставах позвоночных животных, плевральная, в плевральной полости, перикардиальная — в околосердечной сумке);
2. слизей, которые облегчают передвижение веществ по кишечнику, создают влажную среду на слизистых оболочках дыхательных путей;
3. секретов (слюна, слезы, желчь, сперма и т.д.) и соков в организме.

Неорганические ионы. Неорганические ионы клетки представлены: катионами К + , Na + , Са 2+ , Mg 2+ , NH3 и анионами Сl — , NOi₂ — , H₂PO₄ — , HCO₃ — , HPO₄ 2- .

Разность между количеством катионов и анионов на поверхности и внутри клетки обеспечивает возникновение потенциала действия, что лежит в основе нервного и мышечного возбуждения.

Анионы фосфорной кислоты создают фосфатную буферную систему, поддерживающую рН внутриклеточной среды организма на уровне 6—9.

Угольная кислота и ее анионы создают бикарбонатную буферную систему и поддерживают рН внеклеточной среды (плазмы крови) на уровне 4—7.

Соединения азота служат источником минерального питания, синтеза белков, нуклеиновых кислот. Атомы фосфора входят в состав нуклеиновых кислот, фосфолипидов, а также костей позвоночных, хитинового покрова членистоногих. Ионы кальция входят в состав вещества костей, они также необходимы для осуществления мышечного сокращения, свертывания крови.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Источник