Підручник Біологія 9 клас - В. І. Соболь - Абетка 2017

Тема 1. ХІМІЧНИЙ СКЛАД КЛІТИНИ ТА БІОЛОГІЧНІ МОЛЕКУЛИ

§ 4. ВОДА ТА ЇЇ ВЛАСТИВОСТІ

Cedo nulli (Нікому не поступлюсь).

Латинський вираз

Основні поняття й ключові терміни: ВОДА. Гідрофільні сполуки. Гідрофобні сполуки.

Пригадайте! Що таке оксиди?

Знайомтеся!

Антуан де Сент-Екзюпері (1900-1944) - французький письменник й авіатор. Найвидатнішим художнім твором митця (його Magnum opus) є «Маленький принц», в якому є відомі всім рядки: «У тебе немає ні смаку, ні кольору, ані запаху, тебе неможливо описати, тобою насолоджуються не знаючи, що ти таке. Не можна сказати, що ти необхідна для життя: ти - саме життя».

ЗМІСТ

У чому полягає життєво важлива роль води?

ВОДА - неорганічна речовина, молекули якої складаються з двох атомів Гідрогену та одного атома Оксигену (іл. 4). Вміст води неоднаковий у різних клітинах і різних організмах. Найбільше води міститься в тілі медуз (95 - 98 %), найменше її у комах (40 - 50 %) та лишайниках (5 - 7 %). Кількісно вода посідає перше

місце серед хімічних сполук будь-якої клітини. Які ж біологічні функції виконує ця найпоширеніша й найважливіша на Землі речовина?

■ Вода є універсальним розчинником для багатьох сполук і забезпечує перебіг хімічних реакцій, клітинне транспортування. За розчинністю у воді всі сполуки поділяються на гідрофільні та гідрофобні. Гідрофільні (від грец. гідро - вода і філіа - любов) сполуки - це полярні речовини, які добре розчиняються у воді. Вони містять частково заряджені групи або частинки, здатні взаємодіяти з молекулами води. Це розчинні кристалічні солі, моносахариди, певні амінокислоти, нуклеїнові кислоти, вітамін С та ін. Гідрофобні (від грец. гідро - вода і фобос - страх) речовини - це неполярні речовини, які не розчиняються у воді. Це нерозчинні мінеральні солі, ліпіди, полісахариди, певні білки, вітамін А.

■ Вода є реагентом, за участі якого в клітинах відбуваються реакції гідролізу, підтримується рН середовища.

■ Вода - теплорегулятор, що забезпечує рівномірний розподіл теплоти по всій клітині та організму.

■ Вода є осморегулятором для підтримання сталої концентрації розчинних сполук (наприклад, солей, моносахаридів) в клітині чи організмі.

■ Вода є опорою, що забезпечує пружність клітин, амортизує механічні впливи.

Іл. 4. Будова молекули води

■ Вода - це засіб транспортування речовин у клітинах та організмі (наприклад, провідними тканинами у рослин чи кровоносною системою у тварин).

■ Вода як конформатор бере участь в організації просторової компактної структури (конформації) макромолекул за допомогою молекул, що утворюють водневі зв’язки.

Отже, наявність води в клітинах та організмах є обов'язковою умовою їхньої життєдіяльності.

Які основні властивості води визначають її функції?

Вода - єдина речовина на Землі, яка може бути у трьох агрегатних станах: твердому, рідкому та газуватому. За нормальних умов температура замерзання чистої води дорівнює 0 °С, а кипіння - відповідно 100 °С. Густина води є максимальною за температури +4 °С і дорівнює 1 г/см3. Із зниженням температури густина зменшується. Коли температура досягає точки замерзання 0 °С або опускається нижче, починають утворюватися дрібні кристалики льоду. Під час замерзання вода розширюється на 1/9 свого об’єму, і ці кристалики руйнують клітини. Розчинення речовин у воді знижує її температуру замерзання. Через те в клітинах рослин для витримування низьких температур накопичуються вуглеводи й олії, в клітинах членистоногих - гліцерол, в крові арктичних риб - особливі білки-кріопротектори. Перехід води з рідкого в газуватий стан потребує затрат теплоти, що використовується клітинами й організмами для захисту від перегрівання (наприклад, транспірація у рослин, потовиділення у тварин). Виділяючи нагріту воду й пару, вони позбавляються надлишку теплоти.

Вода здатна поглинати велику кількість теплоти із незначним підвищенням власної температури: у цьому сутність її високої теплоємності. Через те в клітинах вона є чудовим «тепловим акумулятором», запобігаючи різким змінам температури. Вода має й теплопровідність, що забезпечує рівномірний і швидкий розподіл теплоти в клітинах і між клітинами в організмі. Таким чином, ці властивості є основою для терморегуляції організмів.

Воді властивий винятково великий поверхневий натяг, що визначається силами зчеплення молекул води між собою з утворенням водневих зв’язків. Сили притягання між молекулами води спричиняють появу плівки на її поверхні, яка за стійкістю поступається лише поверхневій плівці ртуті. В живому поверхневий натяг визначає форму клітин та їх окремих частин (наприклад, при фагоцитозі). Молекули води завдяки силам зчеплення між собою та із поверхнями, що мають електричний заряд, здатні «підійматися» тонкими трубчастими отворами. Завдяки цьому відбувається переміщення рідин крізь пори клітинних стінок, капілярами тварин і судинами рослин тощо.

Основні властивості води

Фізичні властивості

Хімічні властивості

1. Агрегатний стан

2. Висока теплоємність й теплопровідність

3. Поверхневий натяг

4. Нестискуваність

5. Текучість

1. Взаємодія з певними кислотами, оксидами, основами й солями

2. Участь в гідролізі органічних сполук

3. Здатність до йонізації

Іл. 5. Розташування молекул води під час розчинення кухонної солі

Воді властиві висока пружність і нестискуваність, що зумовлює її значення як опори. Ці властивості пояснюють роль гідроскелета для червів, стан напруги в клітинах рослин, сприяють проходженню звукових хвиль по клітинах (наприклад, у дельфінів, кашалотів).

Для клітин велике значення мають й хімічні властивості води.

Її амфотерність та здатність до дисоціації (Н2О Н+ + ОН-) визначають взаємодію з основами, солями, кислотами та участь в реакціях для підтримання рН цитоплазми та міжклітинних рідин (іл. 5).

Вода як реагент бере участь в біологічно важливих реакціях розкладу сполук за участі води - реакціях гідролізу. Ці реакції є основою гомеостазу й обміну речовин та перетворення енергії. Наприклад, гідроліз солей з утворенням кислот чи лугів має значення для підтримання рН у біосистемах, гідроліз білків до амінокислот забезпечує клітини будівельним матеріалом тощо.

Отже, життєво важливе значення води визначається її унікальними фізико-хімічними властивостями.

Які особливості будови молекул води визначають її властивості?

У молекулі води атоми Гідрогену утримуються біля атома Оксигену міцними ковалентними зв’язками, завдяки цьому вода є дуже стійкою сполукою. Водяна пара починає розкладатися на О2 і Н2 за температури, вищої від 1000 °С.

У молекул води дві пари спільних електронів зміщені до Оксигену, тому електричний заряд всередині молекул розподілений нерівномірно: протони Н+ створюють позитивний заряд на одному полюсі, а пари електронів Оксигену - негативний заряд на протилежному полюсі. Ці заряди є рівними за значенням і розташовані на певній відстані один від одного. Отже, молекула води - це постійний диполь, який може взаємодіяти з носіями позитивних і негативних зарядів (дипольність молекул).

Завдяки полярності сусідні молекули води можуть взаємодіяти між собою і з молекулами полярних речовин з утворенням водневих зв’язків, які зумовлюють унікальні фізичні властивості й біологічні функції води (іл. 6). Енергія цих зв’язків становить лише 4,5 ккал/моль, і завдяки тепловому рухові вони постійно виникають і розриваються. Водневі зв’язки - це зв’язки, які виникають між частково негативним зарядом на атомі Оксигену однієї молекули води та позитивним зарядом на атомі Гідрогену іншої.

Отже, унікальні властивості води визначаються такими особливостями молекул води, як: 1) наявність ковалентних зв'язків між атомами; 2) наявність водневих зв'язків між молекулами; 3) дипольність молекул; 4) малі розміри молекул.

Іл. 6. Водневі зв'язки між молекулами води

ДІЯЛЬНІСТЬ

Завдання на застосування знань «Вміст води у власному організмі»

Визначте вміст води у організмі, для чого використайте такі дані:

■ вміст води в організмі людей різного віку різний: у зародка (8 міс.) - 83 %, у новонародженого - 73 %, у підлітків - 65 %, у дорослого - 60 %, у літньої людини - 55 % від маси тіла;

■ близько 95% від загальної кількості води в клітинах припадає на вільну воду (є розчинником) і 5 % - на зв’язану воду (вода у зв’язках з молекулами речовин).

Завдання 1. Визначте вміст води у власному організмі.

Завдання 2. Визначте вміст вільної і структурованої води у власному організмі.

Дайте відповідь на запитання. Чому вміст води у людини з віком зменшується? Як це позначається на життєвих функціях організму людини? Чому в клітинах більша частка припадає на вільну воду?

СТАВЛЕННЯ

На Землі немає важливішої речовини, ніж вода, і водночас немає сполуки з такою кількістю аномальних властивостей. «Немає природного тіла, яке могло б зрівнятися з водою за впливом на геологічні процеси. Не лише земна поверхня, а й глибинні частини Землі визначаються в найістотніших своїх проявах існуванням й властивостями ВОДИ». Так писав геніальний український науковець В. І. Вернадський. Заповніть у робочому зошиті таблицю та обґрунтуйте значення води для життя на Землі.

ВЗАЄМОЗВ'ЯЗОК МІЖ БІОЛОГІЧНОЮ РОЛЛЮ І ВЛАСТИВОСТЯМИ ВОДИ

Біологічна роль води

Властивості води

1. Вода як розчинник

2. Вода як реагент

3. Теплорегулятор

4. Вода як осморегулятор

5. Вода як опора

6. Засіб транспортування

РЕЗУЛЬТАТ

Оцінка

Завдання для самоконтролю

1 - 6

1. Що таке вода? 2. Що таке гідрофільні та гідрофобні сполуки? 3. Назвіть основні функції води. 4. Назвіть основні властивості води. 5. Назвіть особливості будови молекул води. 6. Які зв'язки забезпечують взаємодію молекул води?

7 - 9

7. Поясніть життєво важливу роль води. 8. Які основні властивості води визначають її функції? 9. Які особливості будови молекул води визначають її властивості?

10 - 12

10. Як відбувається регуляція вмісту води в живому організмі?




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