Підручник Біологія 9 клас - Л.І. Остапченко - Генеза 2017

ТЕМА 1. XІМІЧНИЙ СКЛАД КЛІТИНИ

У цій темі ви дізнаєтесь про:

• хімічний склад живих організмів;

• властивості й функції неорганічних сполук живих організмів;

• молекулярний рівень організації живої матерії;

• органічні речовини;

• будову, властивості та функції основних груп органічних сполук: ліпідів, вуглеводів, білків, нуклеїнових кислот, біологічно активних речовин;

• зв'язок між будовою молекул органічних речовин та їхніми функціями; роль органічних сполук у забезпеченні життєдіяльності організмів.

§2. ВОДА, ЇЇ ВЛАСТИВОСТІ ТА ФУНКЦІЇ У СКЛАДІ БІОЛОГІЧНИХ СИСТЕМ. ІНШІ НЕОРГАНІЧНІ СПОЛУКИ

Пригадайте, що спільного між живою та неживою природою. Який хімічний зв’язок називають ковалентним?

Ви вже знаєте, що науку, яка вивчає хімічний склад живих організмів, будову, властивості та роль виявлених у них сполук, шляхи їхнього виникнення та перетворення, називають біологічною хімією, або біохімією. Одне з головних завдань біохімії - з’ясування механізмів регуляції життєдіяльності клітин та організму в цілому, які забезпечують єдність процесів обміну речовин і перетворення енергії в організмі.

Серед усіх хімічних сполук виняткова роль у забезпеченні процесів життєдіяльності організмів належить воді. Вода утворює основу внутрішнього середовища організмів. У водному середовищі відбуваються процеси обміну речовин і перетворення енергії. Вода бере безпосередню участь у реакціях розщеплення органічних сполук. Уміст води в організмах становить 60-70 %, а в деяких випадках до 98 % (як-от, у медуз). Цитоплазма більшості клітин містить приблизно 80 % води.

Структура, властивості та функції води. Воді притаманні унікальні хімічні й фізичні властивості. Вам відомо, що молекула води (Н2О) складається з двох атомів Гідрогену, сполучених з атомом Оксигену ковалентними зв’язками (мал. 6, 1). На полюсах молекули води є позитивний і негативний заряди, тобто вона полярна. Завдяки цьому дві сусідні молекули води зазвичай взаємно притягуються за рахунок сил електростатичної взаємодії між негативним зарядом атома Оксигену однієї молекули та позитивним зарядом атома Гідрогену іншої. При цьому виникає водневий зв’язок (мал. 6, 2), який у 15-20 разів слабший за ковалентний. Коли вода перебуває в рідкому стані, її молекули безперервно рухаються, і водневі зв’язки постійно то розриваються, то виникають знову. Докладніше про водневий зв’язок ви незабаром дізнаєтеся на уроках хімії.

Мал. 6. 1. Молекула води складається з атома Оксигену та двох атомів Гідрогену (масштабна модель).

2. Схема утворення водневих зв’язків між молекулами води (позначені крапками)

Частина молекул води формує водну оболонку навколо деяких сполук (наприклад, білків), запобігаючи їхній взаємодії. Таку воду називають зв’язаною, або структурованою (4-5 % загальної кількості води в організмах). Решта 95-96 % води має назву вільної: вона не пов’язана з іншими сполуками.

Залежно від температури середовища вода здатна змінювати свій стан. За зниження температури вода з рідкого стану може переходити у твердий, а за підвищення - у газуватий.

Молекулам води притаманна здатність до іонізації, коли вони розщеплюються на йони Гідрогену та гідроксид-іону. При цьому між молекулами води та йонами встановлюється динамічна рівновага:

H2O H+ + OH-

Вода визначає фізичні властивості клітин - їхній об’єм і внутрішньоклітинний тиск (тургор). Порівняно з іншими рідинами, у неї відносно високі температури кипіння, плавлення та випаровування, що зумовлене взаємодією між сусідніми молекулами води.

Вода - універсальний розчинник. Тому всі речовини поділяють на такі, що добре розчиняються у воді (гідрофільні, або полярні), та нерозчинні (гідрофобні, або неполярні). До гідрофільних сполук належить багато кристалічних солей, наприклад кухонна сіль (NaCl), а також глюкоза, фруктоза тощо. Вони часто містять полярні (частково заряджені) групи, здатні взаємодіяти з молекулами води. Гідрофобні речовини (майже всі ліпіди, деякі білки) містять неполярні групи, які не взаємодіють з молекулами води (-CH2, -CH2CH3). Такі сполуки розчиняються переважно в неполярних розчинниках (хлороформ, бензол).

Проникнення речовин у клітину та виведення з неї продуктів життєдіяльності можливе здебільшого в розчиненому стані.

Вода також бере участь у транспорті різних сполук в організмах. Розчини органічних і неорганічних речовин рослини транспортують по провідних тканинах або міжклітинниках. У тварин таку функцію виконують кров, лімфа, тканинна рідина тощо.

Вода бере участь у складних біохімічних перетвореннях. Наприклад, за участі води розщеплюються органічні сполуки з приєднанням до місць розривів йонів Н+ та ОН. Перебіг багатьох біологічних процесів можливий саме завдяки утворенню й руйнуванню водневих зв’язків.

З водою пов’язана здатність організмів регулювати свій тепловий режим. Їй властива висока теплоємність, тобто здатність поглинати тепло за незначних змін власної температури. Завдяки цьому вода запобігає різким змінам температури у клітинах та організмі в цілому за різких її коливань у навколишньому середовищі. Оскільки на випаровування води витрачається багато теплоти, організми в такий спосіб захищають себе від перегрівання (наприклад, випаровування води в рослин, потовиділення у ссавців, випаровування вологи зі слизових оболонок тварин).

Цікаво знати

Утворення кристаликів льоду в клітинах організмів руйнує клітинні структури. Це призводить до загибелі клітин і всього організму. Саме тому ссавців і людину неможливо заморозити, а потім - розморозити без утрати здатності відновити процеси життєдіяльності.

Цікаво знати

Вода під впливом розчинених у ній речовин може змінювати свої властивості, зокрема точку температури замерзання і кипіння, що має важливе біологічне значення. Наприклад, у клітинах рослин з настанням зими підвищується концентрація розчинів вуглеводів, членистоногих - гліцерину, риб - білків тощо. Це знижує температуру, за якої вода переходить у твердий стан, що запобігає промерзанню. Уявіть: серед комах відомі мухильодовичники (мал. 7), здатні зберігати активність на сніговому покриві (вони мешкають і в Україні).

Мал. 7. Муха-льодовичник (ряд Скорпіонові мухи)

Теплоємність - кількість тепла, потрібна для нагрівання тіла або середовища на 1 °С.

Завдяки високій теплопровідності вода забезпечує рівномірний розподіл теплоти між тканинами та органами організму через кровообіг, лімфообіг, циркуляцію рідини порожнини тіла у тварин, рух розчинів по тілу рослин тощо.

Елементарний хімічний склад живих організмів.

З-понад 120 різних типів атомів хімічних елементів в організмах виявляють понад 60. Одні з них є обов’язковими в усіх організмів, інші - лише в окремих (див. таблицю 1).

Хімічні елементи, частка яких становить майже 99,9 %, наприклад, Гідроген, Карбон, Нітроген, Оксиген, Кальцій, Калій, Натрій, Ферум, Магній, Сульфур, Хлор, Фосфор, належать до макроелементів. Близько 60 хімічних елементів - до мікроелементів (Йод, Кобальт, Манган, Купрум, Молібден, Цинк тощо), адже їхній уміст у клітині становить лише від 10-12% до 10-3 %. Гідроген, Карбон, Нітроген та Оксиген називають органогенними елементами, оскільки саме їх найбільше у складі органічних сполук (сумарна частка становить майже 98 % хімічного вмісту живих істот).

Хімічні елементи, що містяться в клітині, входять до складу органічних і неорганічних сполук або перебувають у вигляді йонів.

В організмах не виявлено жодного з хімічних елементів, якого б не було в неживій природі. Це одне зі свідчень єдності живої і неживої природи.

Таблиця 1

Деякі хімічні елементи у складі організмів та їхнє біологічне значення

Елемент і його символ

Уміст від маси клітини,

%

Біологічне значення

Оксиген (О)

65-75

Входить до складу молекул води, багатьох неорганічних та органічних сполук; кисень, який під час дихання надходить в організм живої істоти, забезпечує окиснення різних органічних сполук

Карбон(С)

15-18

Входить до складу молекул усіх органічних і багатьох неорганічних сполук. Завдяки СО2 відбувається повітряне живлення здатних до фотосинтезу автотрофних організмів: вони використовують Карбон для синтезу власних органічних речовин

Гідроген (Н)

8-10

Входить до складу молекул води, інших неорганічних та органічних сполук

Нітроген (N)

1,5-3,0

Входить до складу білків, нуклеїнових кислот, АТФ та деяких інших біомолекул. Атоми Нітрогену входять до складу мінеральних сполук, які вбирають з ґрунту рослини. З атмосфери його можуть засвоювати бульбочкові бактерії, деякі ціанобактерії. Нітроген входить до складу полісахариду хітину - складової клітинної оболонки грибів, кутикули членистоногих, що надає їм додаткової міцності

Фосфор (Р)

0,2-1,0

Входить до складу деяких білків, нуклеїнових кислот, інших біомолекул; солі ортофосфатної кислоти - компонент скелетів різних тварин. Ортофосфатна кислота бере участь у синтезі АТФ (універсального накопичувача енергії в клітині). Нестача сполук Фосфору негативно позначається на формуванні скелета, синтезі багатьох важливих органічних речовин. Сполуки Фосфору сприяють швидшому дозріванню плодів і забезпечують зимостійкість рослин

Елемент і його символ

Уміст від маси клітини, %

Біологічне значення

Калій (К)

0,15 - 0,4

Один з основних позитивно заряджених йонів живих організмів; бере участь у забезпеченні транспорту сполук через клітинні мембрани, регуляції роботи серця (підвищена концентрація йонів Калію послаблює її); створенні електричного потенціалу на мембранах клітин

Сульфур (S)

0,15-0,2

Входить до складу білків (зокрема, кератину) і деяких інших органічних речовин. Залишки сульфатної кислоти, приєднуючись до нерозчинних у воді сполук, забезпечують їхню розчинність. Це сприяє виведенню таких речовин у розчиненому стані з клітин і організму

Хлор (Cl)

0,05-0,1

Основний негативно заряджений йон організмів; входить до складу хлоридної кислоти (складової шлункового соку людини і багатьох тварин), плазми крові. Хлоридна кислота створює кисле середовище в шлунку хребетних тварин і людини, забезпечуючи активність ферментів шлункового соку

Кальцій (Са)

0,04-2,0

Входить до складу зубів, кісток і черепашок; у йонній формі бере участь у регуляції обміну речовин, скорочень скелетних м'язів, діяльності серця (підвищена концентрація йонів Кальцію її посилює); необхідний для забезпечення зсідання крові у людини та ссавців. Нестача сполук Кальцію у дітей може спричинити викривлення кісток - рахіт

Магній (Mg)

0,02-0,03

Як небілкова частина входить до складу певних ферментів. Атом Магнію входить до складу молекули хлорофілу. За нестачі цього хімічного елемента порушуються процеси фотосинтезу

Натрій (Na)

0,02-0,03

Один з провідних внутрішньоклітинних позитивно заряджених йонів; бере участь у забезпеченні транспорту сполук через клітинні мембрани; входить до складу плазми крові: сталий уміст натрій хлориду (0,9 %) у плазмі крові - необхідна складова підтримання гомеостазу нашого організму

Ферум (Fe)

0,01-0,015

Входить до складу деяких біомолекул (дихального пігменту - гемоглобіну, білка м'язів - міоглобіну, який зв'язує кисень, що приносить кров, складних ферментів тощо)

Цинк (Zn)

0,0003

Компонент деяких ферментів і гормонів (цинк потрібний для утворення гормонів підшлункової залози)

Купрум (Cu)

0,0002

Входить до складу деяких ферментів, дихального пігменту деяких безхребетних тварин - гемоціаніну. Купрум потрібен для процесів кровотворення

Є складовою гормонів щитоподібної залози (тироксину, трийодтироніну). Недостатнє надходження Йоду в організм людини з їжею чи водою може спричинити порушення синтезу цих гормонів

Йод (І)

0,0001

Флуор (F)

0,0001

Входить до складу емалі зубів, надаючи їй міцності. Нестача цього елемента в організмі призводить до руйнування емалі зубів - карієсу

Коротко про головне

Вода утворює основу внутрішнього середовища організмів, у якому відбуваються процеси обміну речовин і перетворення енергії. Вода бере безпосередню участь у реакціях розщеплення органічних сполук.

Ключові терміни та поняття:

макроелементи, мікроелементи, водневий зв'язок, гідрофільні, гідрофобні сполуки.

Перевірте здобуті знання

1. Яка будова молекули води? 2. Чому воду вважають універсальним розчинником? 3. Які властивості води як основи внутрішнього середовища живих організмів? 4. Яка роль води в процесах обміну речовин у живих організмах? 5. Які сполуки належать до гідрофільних, а які - до гідрофобних? 6. На які групи поділяють хімічні елементи залежно від їхнього відсоткового вмісту в складі живих істот? 7. Які хімічні елементи відносять до макроелементів? Наведіть приклади їхніх функцій у складі живих істот.

Поміркуйте

1. Чому вчені вважають, що життя на нашій планеті виникло саме у водному середовищі? 2. Про що може свідчити той факт, що в організмах живих істот не трапляються хімічні елементи, яких би не було в неживій природі?

Творче завдання

Використовуючи різні джерела інформації, підготуйте повідомлення про воду як важливий природний ресурс.



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