БІОЛОГІЯ ЗНО 2018 - КОМПЛЕКСНЕ ВИДАННЯ

НЕОРГАНІЧНІ СПОЛУКИ В ОРГАНІЗМАХ

Роль води в організмі

Розгляд деяких особливостей внутрішньо-молекулярної структури води важливий для розуміння її властивостей. За даними рентгеноструктурного аналізу, обидва атоми Гідрогену в молекулі води розміщені на однаковій відстані від атома Оксигену (0,098 нм), але не на одній лінії з ним, а утворюючи кут 105°. Кожний атом Гідрогену утримується біля атома Оксигену ковалентним зв’язком, утвореним завдяки виникненню спільної пари електронів. Енергія ковалентного зв’язку становить майже 110 ккал/моль. У цій сполуці 2 пари спільних електронів зміщені до Оксигену, тому електричний заряд всередині молекули розподілений нерівномірно: в атомів Гідрогену переважає позитивний заряд, а в Оксигену — негативний. Отже, молекула води — це диполь.

Наявністю електростатичних полюсів у молекулі води пояснюється її здатність набувати орієнтації в електричному полі, притягатись і приєднуватись до різних молекул та ділянок молекул, які несуть заряд, унаслідок чого утворюються гідрати.

Здатністю води утворювати гідрати пояснюють її універсальні розчинні властивості. З дипольними властивостями води пов’язана також здатність її утворювати водневі зв’язки. Водневий зв’язок виникає в результаті притягання між протонами і спільними парами електронів сусідніх молекул води.

Енергія водневого зв’язку, порівняно з енергією ковалентного зв’язку, невелика. Вона становить лише 4,5 ккал/моль. Проте слабкий зв’язок, повторений багаторазово, дає значну енергію взаємодії.

Завдяки тепловому рухові молекул водневі зв’язки між молекулами рідкої води постійно виникають і розриваються. Під час охолодження, коли енергія теплового руху стає меншою від енергії водневих зв’язків, останні пронизують усю масу молекул. Виникає регулярна, характерна для льоду шестигранна структура. Привертають до себе увагу великі міжмолекулярні порожнини, які виникають під час утворення льоду. Молекули в рідкій воді «упаковані» щільніше. Утворення водневих зв’язків між молекулами води істотно впливає на деякі її властивості. Відомо, наприклад, що теплота плавлення льоду вища, ніж у більшості інших речовин, і становить 335 кДж/кг. Така значна кількість тепла потрібна для розриву водневих зв’язків під час перетворення льоду в рідину.

Для перетворення льоду в рідину потрібно розірвати близько 15 % водневих зв’язків. Отже, у рідкій воді зберігаються значні скупчення молекул, зв’язаних між собою, як у льоді, водневими зв’язками.

Дослідження показують, що за температури +20 °С приблизно 70 % молекул перебуває у воді у вигляді агрегатів, які містять у середньому по 57 молекул у кожному, Такі агрегати, що зберігають у рідкій воді структуру льоду, називають кластерами.

Висока питома теплоємність води пояснюється поглинанням енергії, яка витрачається на руйнування кластерів. Це має істотне значення для організмів під час коливань температури зовнішнього середовища. Вода, поглинаючи тепло, що витрачається на розрив водневих зв’язків, діє як буфер. Висока теплота пароутворення води вказує на те, що кластери існують і за температури, близької до кипіння, тому потрібно багато енергії для руйнування залишків водневих зв’язків. Ця особливість води також використовується живими організмами для боротьби з перегріванням, що досягається випаровуванням води з поверхні тіла.

Вода визначає деякі фізичні властивості клітин, наприклад, їх об’єм, пластичність. Вода — хороший розчинник: більшість речовин у водному розчині надходять у клітину й у водному ж розчині відпрацьовані речовини виводяться з клітини. Більшість реакцій, які відбуваються в клітині, можуть здійснюватись тільки у водному розчині. Вода є реагентом у багатьох реакціях. Так, білки, жири, вуглеводи та інші речовини розщеплюються за участі води. Такі реакції називають реакціями гідролізу.

Вода відіграє також істотну роль у розподілі та передаванні тепла в організмі. Вода є розчинником багатьох речовин: солей, цукрів, амінокислот, білків тощо. У цьому випадку притягання молекул води до розчинюваної речовини перевищує силу притягання між молекулами води.

Вода є основною речовиною протоплазми. Вода необхідна для перебігу реакцій обміну речовин. Проте активна роль у цих реакціях належить тільки вільним молекулам води. Якщо ж молекула входить до складу кластера, вона скована й метаболічно інертна. Якщо кластерів багато, вони скупчуються, оточують і наче «затирають» активні поверхні клітини (наприклад, активні центри ферментів), створюють перешкоди для взаємодії ферментів із субстратами і тому гальмують перебіг обмінних процесів.

Зв’язок між структурою води та її роллю в клітині

Вода в біологічних об’єктах виконує такі функції:

а) водне середовище об’єднує всі структури організму, починаючи від молекул у клітинах і закінчуючи тканинами та органами, в єдине ціле. У тілі рослин водна фаза є безперервним середовищем: від вологи, поглинутої коренями із ґрунту, до поверхні розділення рідина — газ у листках, де вона випаровується;

б) вода — важливий розчинник і середовище для біохімічних реакцій;

в) вода бере участь в упорядкуванні структур у клітинах. Вона входить до складу молекул білків, визначаючи їх конформацію. Видалення води з білків висолюванням або за допомогою спирту призводить до їх коагуляції і випадання в осад. У підтриманні структур гідрофобних ділянок білкових молекул і ліпопротеїнів істотна роль належить структурованій воді;

г) вода — метаболіт і безпосередній компонент біохімічних процесів. Так, під час фотосинтезу вода є донором електронів. Під час дихання, у циклі Кребса, вода бере участь в окиснювальних процесах. Вода необхідна для гідролізу та багатьох синтетичних процесів;

ґ) можливо, істотну роль у життєвих явищах, особливо в мембранних процесах, відіграє відносно висока електронна провідність структурованої води;

д) вода — головний компонент транспортної системи вищих рослин у судинах ксилеми й ситоподібних трубках флоеми під час переміщення речовин по симпласту (багатоядерний цитоплазматичний утвір, сукупність протопластів, з’єднаних з плазмодесмами) й апопласту (система взаємозв’язаних міжфібрилярних просторів клітинних оболонок та міжклітинників, через яку здійснюється переміщення води в рослині);

е) вода — терморегулятор: вона захищає тканини від різких коливань температури завдяки високій теплоємності та високій питомій теплоті пароутворення;

є) вода — добрий амортизатор під час механічних впливів на організм;

ж) завдяки явищам осмосу й тургору вода забезпечує пружний стан клітин і тканин рослинних організмів;

з) для водоростей вода — середовище існування;

и) наземні спорові рослини зберігають залежність від води: їхні гамети рухаються за допомогою джгутиків;

і) у насінних рослин існують досконалі механізми надходження й економного використання води, необхідної для їх життєдіяльності.

Роль солей та інших неорганічних сполук в організмі

Хімічні елементи містяться в клітині й у вигляді неорганічних речовин, головним чином — різних солей.

З катіонів, що є в клітині, найбільш важливі: К+; Na+; Са2+; Mg2+; з аніонів: НРО42-; Н2РО4-; Сl-; НСО3-.

Вміст аніонів і катіонів у клітині зазвичай значно відрізняється від вмісту їх у міжклітинній рідині: концентрація йонів К+ всередині клітини дуже висока, a Na+ — низька. У м’язових клітинах вміст К+ у 30 разів вищий, ніж у крові, а вміст Na+ — удесятеро менший.

Доки клітина жива, ця різниця в концентрації йонів К+ і Na+ між клітиною і середовищем стійко зберігається.

Після смерті клітини вміст йонів К+ і Na+ у ній і в середовищі швидко вирівнюється.

Вміст у клітині і в навколишньому середовищі вказаних йонів має велике значення для нормального функціонування клітини. Через те ці йони повинні бути в усякій кровозамінній рідині.

Коли їх немає, клітина втрачає свої функціональні властивості й гине.

У багатьох клітинах солі є не тільки в розчиненому стані. Міцність і твердість кісткової тканини, а також черепашок молюсків залежить від нерозчинного кальцій ортофосфату, який міститься в них.

Якщо в їжі людини, тварин або живленні рослин недостатньо Р, К, Na, Са, Cu, Со, Мо тощо, то порушується утворення кісткової тканини, затримується синтез таких важливих сполук, як нуклеїнові кислоти, гемоглобін, хлорофіл, тироксин, унаслідок чого виникають різні захворювання, затримуються ріст і розвиток.

Залишки ортофосфатної кислоти, приєднуючись до деяких білків клітини, змінюють їхню фізіологічну активність. Залишки сульфатної кислоти, приєднуючись до нерозчинних у воді чужорідних речовин, надають їм розчинності, що сприяє виведенню їх із клітин та організму.

Луги — гідроксиди лужних і лужноземельних елементів та амонію — теж відіграють важливу біологічну роль, оскільки під час дисоціації утворюють йони ОН , амонію та відповідних металічних елементів.

Гідрофільні та гідрофобні сполуки

Речовини, які добре розчиняються у воді, називають гідрофільними. Проте існує група речовин, які важко розчиняються у воді або практично нерозчинні, — гідрофобні речовини.

До них належить більшість неполярних речовин: жири, ліпоїди, каучуки, парафіни тощо.

Енергія притягання молекул води до неполярних молекул буде меншою, ніж енергія водневих зв’язків.

Нерозчинність неполярних речовин широко використовується клітиною: до складу клітинних мембран входять неполярні речовини (ліпоїди), які обмежують перехід води із зовнішнього середовища в клітину й назад, а також з одних частин клітини в інші.

Вагоме значення має вода в організації структури біополімерів, зокрема білків. Молекула білка є довгою ниткою, від якої по всій її довжині відходять бокові групи (радикали). Частина радикалів — гідрофільна, інша частина — різко гідрофобна.

З тієї ж причини, з якої поміщені у воду жири, парафіни та інші гідрофобні речовини злипаються, утворюючи краплі, зчіплюються один з одним і гідрофобні радикали білка. Білкова нитка закручується в кульку, із зовнішнього боку якої розмістяться гідрофільні групи, а всередині — гідрофобне ядро.

Таким чином, у водному середовищі між гідрофобними радикалами білкової молекули виникають сили зчеплення, які підтримують стабільність структури білкового полімеру.

Тренувальні тести

1. Речовини, які добре розчиняються у воді, називають:

А діелектриками;                      

Б гідрофільними;

В гідроксидами;                        

Г гідрофобними.

2. Міцність і твердість кісток людини залежить від вмісту в них, насамперед:

А кальцій силікату;                   

Б кальцій ортофосфату;

В кальцій сульфату;                 

Г кальцій карбонату.

3. Підвищення вмісту в питній воді якого елемента призводить до враження печінки та слизової нирок:

А Цинку;                                  

Б Купруму;

В Нікелю;                                 

Г Флуору.

4. Білки, жири, вуглеводи та інші речовини розщеплюються за участі води. Такі реакції називають реакціями:

А гідролізу;                             

Б каталізу;

В піролізу;                              

Г фотолізу.

5. Укажіть джерело Оксигену під час фотосинтезу в зелених рослин:

А вода;                                    

Б оксигеновмісні йони кислотних залишків;

В вуглекислий газ;                  

Г гідроксогрупи лугів.

6. Гідроксиди лужних і лужноземельних елементів та амонію називають:

А ферментами;                        

Б лугами;

В індикаторами;                      

Г інгибіторами.

7. Міцність і твердість кісткової тканини, а також черепашок молюсків залежить від вмісту в них:

А барій карбонату;                  

Б кальцій ортофосфату;

В стронцій метафосфату;         

Г калій ортофосфату.

8. Укажіть, чому атмосферний тиск майже не впливає на форму та життєдіяльність організмів суходолу:

А він надто низький, щоб впливати на форму та життєдіяльність організмів суходолу;

Б зовнішній або внутрішній скелет захищають організми від стискання;

В стінки клітин виявляють високу стійкість проти стискання;

Г найбільшу частку живих клітин становить вода, об’єм якої не змінюється під час стискання.

9. Гідрофобними називають біополімери:

А які не взаємодіють з водою;

Б які взаємодіють з водою за будь-яких умов;

В які розчиняються у воді в будь-яких пропорціях;

Г які розчиняються лише в органічних розчинниках.

10. Укажіть назву речовини, наявність якої в клітинах обумовлює їх високу теплопровідність:

А білок;                                  

Б вода;

В жир;                                    

Г глюкоза.

11. Укажіть роль деяких металічних елементів у життєдіяльності клітин:

А входять до складу багатьох вітамінів і ферментів;

Б входять до складу РНК;

В входять до складу полісахаридів;

Г входять до складу ДНК.

12. Розчинні мінеральні солі дисоціюють в організмі на:

А йони металічних елементів та гідроксогрупи;

Б катіони Гідрогену та аніони кислотних залишків;

В йони металічних елементів та кислотних залишків;

Г катіони Гідрогену й аніони гідроксогруп.

13. Уміст води в тканинах організму людини:

А залежить від віку людини та типу тканини;

Б не залежить від віку людини;

В не залежить від типу тканини;

Г не залежить від інтенсивності обміну речовин.

14. Укажіть назву елемента, нестача якого у питній воді та їжі обумовлює розвиток ендемічного зобу:

А Цинк;                                  

Б Флуор;

В Іод;                                     

Г Селен.

15. Установіть відповідність між назвою елемента й назвою організмів, які накопичують його у своїх тілах протягом життя:

1 Ферум;

А ряска;

2 Радій;

Б перетинчастокрилі комахи;

3 Силіцій;

В діатомові водорості та злаки;

4 Купрум.

Г залізобактерії;

 

Д молюски та ракоподібні.



Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити