Читать онлайн фрагменты: § 6. Неорганические вещества: вода, соли. Учебник по биологии УМК Пасечник для 10 класса (базовый уровень) для ознакомления перед покупкой. Цитаты из пособия 2019 года использованы также в учебных целях для семейного и домашнего обучения, а также для дистанционного обучения в период невозможности посещения образовательного учреждения. Код материалов: Биология Пасечник Учебник §6. Вернуться в ОГЛАВЛЕНИЕ учебника.
§ 6. Неорганические вещества: вода, соли
Вспомните
1. Какие вещества называют неорганическими?
2. Какие известные вам организмы содержат много воды?
3. Какие неорганические вещества мы употребляем в пищу? Почему?
ВОДА
Вода (Н2О) является веществом, распространённым как в живой, так и в неживой природе. В среднем она составляет около 70 % от массы живых организмов (её доля колеблется в зависимости от разновидности клетки и возраста организма). Уникальные физические и химические свойства воды определяются особенностями структуры её молекулы (рис. 20), которые возникают в результате специфического расположения электронов в атомах кислорода и водорода.
Два электрона, располагающиеся на внешней электронной орбите атома кислорода в молекуле воды, объединяются с двумя электронами, которые принадлежат атомам водорода (каждый атом водорода имеет на внешней электронной орбите по одному электрону). Вследствие этого между атомом кислорода и двумя атомами водорода образуются две ковалентные связи. Однако, поскольку кислород является более электроотрицательным, чем водород, он в большей степени притягивает к себе электроны, приобретая частичный отрицательный заряд. В свою очередь, каждый из атомов водорода приобретает частичный положительный заряд.
В итоге отрицательно заряженный атом кислорода одной молекулы воды притягивается к положительно заряженному атому водорода другой молекулы, что приводит к образованию водородной связи. Таким способом отдельные молекулы воды оказываются связанными друг с другом (рис. 21).
Важным свойством водородной связи является её меньшая прочность по сравнению с ковалентной — она слабее примерно в 20 раз. Поэтому водородная связь относительно легко образуется и разрывается. Однако даже при температуре 100 °С между молекулами воды существует ещё достаточно сильное взаимодействие. Так что для того чтобы оторвать одну молекулу воды от других, требуется затратить энергию на разрыв водородных связей.
Наличие водородных связей между молекулами воды обеспечивает её структурированность, что и объясняет такие необычные свойства, как высокая температура кипения, плавления и высокая теплоёмкость. Именно высокая теплоёмкость (способность поглощать тепло при незначительном изменении собственной температуры) воды предохраняет клетку от резких температурных колебаний, а высокая теплопроводность обеспечивает возможность равномерного распределения теплоты между отдельными частями организма. Высокая теплота испарения используется живыми организмами для предохранения от перегрева: испарение жидкости растениями и животными охлаждает организм и является защитной реакцией на повышение температуры. Вода практически несжимаема, благодаря чему клетки поддерживают свою форму и обладают упругостью. Очень важно, что лёд легче воды, так как вода имеет максимальную плотность при +4 °С, поэтому пресные водоёмы не промерзают до дна.
Для живых организмов весьма важно ещё и то, что молекулы воды являются диполями. Как уже говорилось выше, атомы водорода в молекуле воды несут частичный положительный заряд, а атомы кислорода — отрицательный. Угол между связями Н—О—Н составляет 104,5°, поэтому отрицательный заряд сосредоточен на одной стороне молекулы, а положительный заряд — на другой. Дипольный характер молекулы воды определяет её способность ориентироваться в электрическом поле. Именно это свойство воды определяет её уникальность как растворителя: если в молекулах веществ содержатся заряженные группы атомов, они вступают в электростатические взаимодействия с молекулами воды и растворяются в ней (рис. 22). Такие вещества называют гидрофильными.
В клетках имеется большое количество гидрофильных соединений: это соли, некоторые низкомолекулярные органические соединения (органические кислоты, аминокислоты, простые сахара), а также полимеры (полисахариды, белки, нуклеиновые кислоты).
Однако есть ряд веществ, которые почти не содержат заряженных атомов, и поэтому они не растворяются в воде. Их называют гидрофобными. К этим соединениям относятся, в частности, липиды (жиры). Гидрофобные вещества не взаимодействуют с водой, но хорошо взаимодействуют друг с другом. Благодаря этому свойству липиды, являющиеся гидрофобными соединениями, формируют двумерные структуры (мембраны), почти непроницаемые для воды.
Из-за своей полярности вода растворяет больше химических веществ, чем любой другой растворитель. Именно в цитоплазме, где растворены разнообразные химические вещества, осуществляются многочисленные химические реакции, без которых невозможна жизнедеятельность клетки. Вода растворяет также ненужные клеткам продукты реакций: в растворённом виде они выводятся из них (а также из многоклеточных организмов) во внешнюю среду. За счёт перемещения воды в организмах животных и растений осуществляется обмен различными веществами между тканями.
Вода как химическое соединение обладает одним очень важным свойством: она вступает во многие реакции, протекающие в клетке. В свою очередь, молекулы воды образуются в результате других реакций, которые идут в живых организмах.
Масса атома водорода очень мала, а его единственный электрон в молекуле воды удерживается атомом кислорода. Поэтому протон (ядро атома водорода, лишённое электрона) способен отрываться от молекулы воды. В результате этого образуются гидроксильный ион (ОН–) и свободный протон (Н+):
H2O ↔ H+ + ОН–.
Этот процесс называется диссоциацией воды. Гидроксильные ионы и протоны, образующиеся при этом, также являются участниками многих важных реакций, протекающих в организме.
СОЛИ
Кроме воды, важную роль в жизнедеятельности клетки играют растворённые в ней соли, которые представлены главным образом катионами калия (К+), натрия (Na+), магния (Mg2+), кальция (Са2+) и других металлов, а также анионами соляной (Сl–), угольной (НСO3–) и фосфорных кислот (Н2РO4–, НРО42–).
Многие катионы распределены неравномерно между клеткой и её окружением: так, в цитоплазме наблюдается более высокая концентрация К+ по сравнению с окружающей клетку средой, в то время как концентрация Na+ и Са2+ там ниже, чем снаружи клетки. Внешней же по отношению к клетке может быть как природная среда (например, океан), так и жидкости организма (кровь, тканевая жидкость), которые по ионному составу близки к морской воде. Неравномерное распределение ионов между клеткой и окружающей средой необходимо для осуществления многих важных для жизнедеятельности процессов, в частности для проведения возбуждения по нервным и мышечным клеткам, а также для сокращения мышц. Однако, как мы помним, между клеткой и окружающей средой всё время осуществляется диффузия — процесс взаимного проникновения молекул или атомов одного вещества между молекулами или атомами другого, приводящий к самопроизвольному выравниванию их концентраций по всему занимаемому объёму. Все ионы стремятся к более равномерному распределению по обе стороны клеточной мембраны, но этого клетка не может допустить. На противостояние диффузии она затрачивает значительную часть образующейся в ней энергии. После смерти клетки концентрация катионов вне клетки и внутри её быстро становится одинаковой.
Каждое неорганическое вещество или составляющие его атомы (ионы) играют определённую роль в жизни клетки. Так, ионы Na+ и К+ нужны для образования нервных импульсов, ионы Са2+ необходимы для свёртывания крови и работы сократительных элементов мышечных клеток. Анионы угольной и фосфорной кислот нужны для поддержания постоянства внутриклеточного pH, т. е. они играют роль буферных соединений (подробнее о том, что это такое, вы можете прочитать в рубрике «Это интересно»). Соединения азота служат источником минерального питания, синтеза белков, нуклеиновых кислот.
Часто неорганические вещества или их атомы могут входить в состав органических молекул. Например, атомы фосфора входят в состав нуклеиновых кислот и фосфолипидов — основного компонента клеточных мембран (подробнее о них вы узнаете из § 7). Сера присутствует во многих белках, а железо является обязательным компонентом активного центра гемоглобина — белка красных кровяных клеток, способного образовывать связи с кислородом.
Неорганические и органические вещества содержатся в живых организмах не только в растворённом, но и в твёрдом состоянии. Например, кости формируются главным образом из фосфата кальция (в меньших количествах в них присутствует и фосфат магния), раковины моллюсков — из карбоната кальция, а кристаллы некоторых органических кислот могут откладываться в листьях растений.
Ключевые слова: ВОДОРОДНАЯ СВЯЗЬ • ГИДРОФИЛЬНЫЕ ВЕЩЕСТВА • ГИДРОФОБНЫЕ ВЕЩЕСТВА.
Биология Пасечник Учебник §6
ПОДУМАЙТЕ
Уникальные свойства воды определяются в том числе существованием между её молекулами водородных связей. Возможно ли существование таких связей между молекулами других веществ?
Моя лаборатория
Тренируемся
- Какие неорганические вещества содержатся в живых организмах?
- Что определяет уникальные физические и химические свойства воды, столь важные для существования живой материи?
- Какие химические связи называют водородными?
- Какие физико-химические свойства воды наиболее важны для обеспечения жизнедеятельности клеток и многоклеточных организмов в разных условиях?
- В каких растворителях могут растворяться гидрофобные вещества, а в каких — гидрофильные? Какие растворители вам известны?
Совершенствуемся
- Используя интернет-ресурсы и другие источники информации, найдите сведения о значении для клетки и организма следующих элементов: В, Р, S, Са, Mn, Fe, Со, Zn, Сu. Ответ представьте в виде таблицы.
- Прочитайте статью «Сахар против льда» и на основе полученной информации предложите свой способ борьбы со льдом.
Обсуждаем
Используя доступные информационные источники, уточните, какие условия проведения эксперимента в естественных науках (давление, температура и др.) считаются нормальными. Обсудите с учителем и одноклассниками, почему при нормальных условиях вода (Н2O) — это жидкость, а сероводород (H2S) — газ.
Это интересно
В отличие от пресной, морская вода начинает замерзать при температуре минус 1,86 °С, и когда на поверхности моря появляется лёд, температура воды под ним остаётся отрицательной (в полярных областях около минус 1,8 °С). А кровь морских рыб, обитающих в этих морях, замерзает уже при минус 0,6—0,8 °С. Как же этим рыбам удаётся выживать при таких низких температурах? Оказалось, что они синтезируют специальные белки-антифризы, которые циркулируют в крови и не дают ей превратиться в лёд! Эти белки предотвращают образование и рост кристаллов льда внутри клеток.
Сахар против льда. Все мы видели, как дворники зимой посыпают тротуары и мостовые солью (чаще всего это хлорид кальция) для того, чтобы на поверхностях дорог не образовывался слой льда. Но почему же соль препятствует этому? Потому что она сразу же растворяется в воде, а температура замерзания такого раствора намного ниже, чем обычной воды.
Итак, люди используют соль для того, чтобы бороться со льдом. А вот многие животные применяют для этих целей… сахар! Так поступают тихоходки, насекомые, пауки, клещи и некоторые черви. Когда наступают холода, в клетках их организма начинается активный синтез трегалозы — углевода, похожего на глюкозу. Для чего это нужно клеткам? Для того чтобы предотвратить замерзание клеточной воды, которая при этом образует ледяные кристаллы. Острые лучи этих кристаллов способны повредить любые органоиды и даже разорвать сами клетки. Однако трегалоза предотвращает эту катастрофу — температура замерзания её водного раствора значительно ниже, чем воды.
Сейчас опыт тихоходок, членистоногих и других беспозвоночных по борьбе с замерзанием воды начали перенимать и люди. В 2014 г. в США был изготовлен противогололёдный реагент, содержащий трегалозу. Его использование не несёт опасности для окружающей среды, в отличие от того же хлорида кальция, который, попадая с водой в почву, способствует её засолению.
«Плохой хороший» элемент. У стронция всегда была плохая репутация — долгое время его считали элементом, вызывающим болезни человека. Но оказывается, в организме человека всегда должно присутствовать около 300 мг стронция. Для чего же он нужен? Оказывается, его соединения увеличивают плотность костной ткани и тем самым делают её прочнее. Механизм этого явления, скорее всего, таков: стронций тормозит деятельность остеокластов — клеток, разрушающих кость, и одновременно ускоряет развитие остеобластов — создателей костной ткани.
Главное — «правильная» валентность. Трёхвалентный хром необходим для нормального обмена глюкозы в различных живых организмах. Но шестивалентный хром опасен для организма: он токсичен, легко проникает через клеточную мембрану и может быть причиной онкологических заболеваний.
Буферные соединения. Содержащиеся в клетке анионы слабых кислот (НСО3–, НРО42–) играют важную роль в поддержании внутри клетки постоянства кислотности среды (концентрации ионов водорода — pH). Несмотря на то что в процессе жизнедеятельности в клетке образуются как щёлочи, так и кислоты, в норме кислотность цитоплазмы клетки почти нейтральная (значение pH цитоплазмы большинства клеток находится в диапазоне 7,2—7,4). Это обусловлено тем, что анионы слабых кислот и оснований выполняют буферную роль — связывают протоны и гидроксилы, нейтрализуя внутриклеточную среду.
Кроме того, эти ионы вступают в химические реакции, осуществляемые в клетке. В частности, анионы фосфорной кислоты необходимы для синтеза очень важного для клетки соединения — АТФ, аденозинтрифосфорной кислоты (об этом вы подробнее узнаете в следующих параграфах).
Вы смотрели: § 6. Неорганические вещества: вода, соли. Учебник по биологии УМК Пасечник для 10 класса (базовый уровень). Цитаты из пособия 2019 года использованы в учебных целях для семейного и домашнего обучения, а также для дистанционного обучения в период невозможности посещения образовательного учреждения. Код материалов: Биология Пасечник Учебник §6.