Câtă apă este conținută în celulă? Modul de apă. Teme pentru grupuri de elevi

Apa este cel mai comun compus de pe Pământ și în organismele vii. Conținutul de apă din celule depinde de natura proceselor metabolice: cu cât acestea sunt mai intense, cu atât este mai mare conținutul de apă.

În medie, celulele unui adult conțin 60-70% apă. Cu o pierdere de 20% din apă, organismele mor. O persoană nu poate trăi mai mult de 7 zile fără apă, în timp ce fără mâncare nu mai mult de 40 de zile.

Orez. 4.1. Structura spațială a unei molecule de apă (H 2 O) și formarea unei legături de hidrogen

O moleculă de apă (H 2 O) este formată din doi atomi de hidrogen, care sunt legați covalent de atomi de oxigen. Molecula este polară deoarece este îndoită într-un unghi, iar nucleul atomului de oxigen trage electronii împărtășiți spre acest unghi, astfel încât oxigenul capătă o sarcină negativă parțială, iar atomii de hidrogen situati la capete deschise au o sarcină parțial pozitivă. . Moleculele de apă sunt capabile să se atragă între ele cu sarcini pozitive și negative, formându-se legătură de hidrogen (Fig. 4.1.).

Datorită structură unică moleculele de apă și capacitatea lor de a se lega între ele folosind legături de hidrogen, apa are o serie de proprietăți care îi determină rol importantîn celulă și corp.

Legăturile de hidrogen provoacă relativ temperaturi ridicate fierbere și evaporare, capacitate ridicată de căldură și conductivitate termică a apei, proprietatea unui solvent universal.

Legăturile de hidrogen sunt de 15-20 de ori mai slabe decât legăturile covalente. În stare lichidă, se formează și se rup legăturile de hidrogen, ceea ce determină mișcarea moleculelor de apă și fluiditatea acesteia.

Rolul biologic al H2O

Apa determină proprietăți fizice celule - volumul său, elasticitatea (turgul). Celula conține 95-96% apă liberă și 4-5% apă legată. Apa legată formează învelișuri apoase (solvat) în jurul anumitor compuși (de exemplu, proteine), împiedicându-i să interacționeze între ei.

Apă gratuită este un solvent bun pentru multe substanțe polare anorganice și organice. Substanțele care sunt foarte solubile în apă se numesc hidrofil. De exemplu, alcooli, acizi, gaze, majoritatea sărurilor de sodiu, potasiu etc. Pentru substanțele hidrofile, energia de legătură dintre atomii lor este mai mică decât energia de atracție a acestor atomi la moleculele de apă. Prin urmare, moleculele sau ionii lor sunt ușor de integrat în sistemul general de legături de hidrogen al apei.

Apa ca solvent universal joacă un rol extrem de important, deoarece majoritatea reactii chimice apare în soluții apoase. Pătrunderea substanțelor în celulă și îndepărtarea deșeurilor din aceasta în cele mai multe cazuri este posibilă numai în formă dizolvată.

Apa nu dizolvă substanțele nepolare (nepurtoare de sarcină), deoarece nu poate forma legături de hidrogen cu acestea. Substanțele care sunt insolubile în apă se numesc hidrofob . Acestea includ grăsimi, substanțe asemănătoare grăsimilor, polizaharide și cauciuc.

Unele molecule organice au proprietăți duble: în unele zone au grupări polare, iar în altele - nepolare. Astfel de substanțe sunt numite amfipatic sau amfifil. Acestea includ proteine, acizi grași, fosfolipide, acizi nucleici. Compușii amfifilici joacă un rol important în organizarea membranelor biologice și a structurilor supramoleculare complexe.

Apa este direct implicată în reacții hidroliză– descompunerea compuşilor organici. Mai mult, sub acțiunea unor enzime speciale pentru a elibera valențe molecule organice ionii OH se unesc - si N + apă. Ca rezultat, se formează noi substanțe cu proprietăți noi.

Apa are o capacitate termică mare (adică capacitatea de a absorbi căldura cu modificări minore ale propriei temperaturi) și o conductivitate termică bună. Datorită acestor proprietăți, temperatura din interiorul celulei (și a corpului) este menținută la un anumit nivel în ciuda schimbărilor semnificative ale temperaturii ambientale.

Important semnificație biologică Pentru funcționarea plantelor și animalelor cu sânge rece, apa își poate modifica proprietățile, în special punctele de îngheț și de fierbere, sub influența substanțelor dizolvate (glucide, glicerol).

Proprietățile apei sunt atât de importante pentru organismele vii, încât este imposibil să ne imaginăm existența vieții, așa cum o cunoaștem, nu numai pe Pământ, ci și pe orice altă planetă fără o cantitate suficientă de apă.

SARE MINERALĂ

Ele pot fi în stare dizolvată sau nedizolvată. Molecule de săruri minerale în soluție apoasă se descompun în cationi și anioni.

Apa este conținută în celulele vii, elementele de xilem moarte și spațiile intercelulare. În spațiile intercelulare, apa este în stare de vapori. Principalele organe de evaporare ale plantei sunt frunzele. În acest sens, este firesc ca cea mai mare cantitate de apă să umple spațiile intercelulare ale frunzelor. În stare lichidă, apa se găsește în diferite părți ale celulei: membrana celulară, vacuola, citoplasmă. Vacuolele sunt partea cea mai bogată în apă a celulei, unde conținutul său ajunge la 98%. La cel mai mare conținut de apă, conținutul de apă din citoplasmă este de 95%. Cel mai scăzut conținut de apă este caracteristic membranelor celulare. Determinarea cantitativă a conținutului de apă din membranele celulare este dificilă; se pare că variază de la 30 la 50%.

Forme ale apei în diferite părți celula vegetală sunt de asemenea diferite. Seva celulelor vacuolare este dominată de apa reținută de compuși cu greutate moleculară relativ mică (legați osmotic) și apă liberă. În învelișul unei celule vegetale, apa este legată în principal de compuși cu conținut ridicat de polimeri (celuloză, hemiceluloză, substanțe pectinice), adică apă legată de coloizi. În citoplasmă însăși există apă liberă, legată coloidal și osmotic. Apa situată la o distanță de până la 1 nm de suprafața moleculei proteice este strâns legată și nu are o structură hexagonală regulată (apă legată coloidal). În plus, există o anumită cantitate de ioni în citoplasmă și, prin urmare, o parte din apă este legată osmotic.

Semnificația fiziologică a apei libere și a apei legate este diferită. Potrivit majorității cercetătorilor, intensitatea proceselor fiziologice, inclusiv ratele de creștere, depinde în primul rând de conținutul de apă liberă. Există o corelație directă între conținutul de apă legată și rezistența plantelor la condițiile externe nefavorabile. Aceste corelații fiziologice nu sunt întotdeauna observate.

Pentru existența lor normală, celulele și organismul vegetal în ansamblu trebuie să conțină o anumită cantitate de apă. Cu toate acestea, acest lucru este ușor de fezabil numai pentru plantele care cresc în apă. Pentru plantele terestre, această sarcină este complicată de faptul că apa din corpul plantei se pierde continuu prin evaporare. Evaporarea apei de către plantă atinge proporții enorme. Putem da următorul exemplu: o plantă de porumb evaporă până la 180 kg de apă în timpul sezonului de vegetație și 1 hectar de pădure în America de Sud se evaporă în medie 75 mii kg de apă pe zi. Consumul uriaș de apă se datorează faptului că majoritatea plantelor au o suprafață de frunze semnificativă situată într-o atmosferă nesaturată cu vapori de apă. Totodată, dezvoltarea unei suprafețe extinse de frunze este necesară și dezvoltată în procesul de evoluție îndelungată pentru a asigura o alimentație normală cu dioxid de carbon conținut în aer într-o concentrație nesemnificativă (0,03%). În celebra sa carte „Lupta plantelor împotriva secetei”, K.A. Timiryazev a subliniat că contradicția dintre necesitatea captării dioxidului de carbon și reducerea consumului de apă și-a pus amprenta asupra structurii întregului organism vegetal.

Pentru a compensa pierderile de apă din cauza evaporării, o cantitate mare din aceasta trebuie să fie furnizată în mod continuu plantei. Două procese care au loc continuu într-o plantă - intrarea și evaporarea apei - sunt numite echilibrul hidric al plantelor. Pentru creșterea și dezvoltarea normală a plantelor, este necesar ca consumul de apă să corespundă aproximativ cu afluxul sau, cu alte cuvinte, ca planta să își reducă echilibrul hidric fără un deficit mare. Pentru a face acest lucru, planta, prin procesul de selecție naturală, a dezvoltat adaptări pentru a absorbi apa (sistem radicular dezvoltat colosal), pentru a muta apa (sistem special de conducere) și pentru a reduce evaporarea (sistem de țesuturi tegumentare și un sistem de automatizare). închiderea deschiderilor stomatice).

În ciuda tuturor acestor adaptări, planta întâmpină adesea un deficit de apă, adică aprovizionarea cu apă nu este echilibrată de consumul acesteia în timpul procesului de transpirație.

Tulburările fiziologice apar la diferite plante cu diferite grade de deficit de apă. Există plante care, în procesul de evoluție, au dezvoltat diverse adaptări pentru a tolera deshidratarea (plante rezistente la secetă). Clarificarea caracteristicilor fiziologice care determină rezistența plantelor la deficitul de apă este cea mai importantă sarcină, a cărei soluție are o mare importanță nu numai teoretică, ci și practică agricolă. În același timp, pentru a o rezolva, este necesară cunoașterea tuturor aspectelor schimbului de apă într-un organism vegetal.

1. Ce structură are apa?

Răspuns. Molecula de apă are o structură unghiulară: nucleele incluse în compoziția sa formează triunghi isoscel, care are doi hidrogeni la bază și un atom de oxigen în vârf. Internuclear distante O-H aproape de 0,1 nm, distanța dintre nucleele atomilor de hidrogen este de 0,15 nm. Dintre cei șase electroni care formează stratul exterior de electroni al atomului de oxigen din molecula de apă, două perechi de electroni formează covalente Conexiuni O-N, iar restul de patru electroni reprezintă două perechi singure de electroni.

O moleculă de apă este un mic dipol care conține sarcini pozitive și negative la poli. Există o lipsă a densității electronilor lângă nucleele de hidrogen și mai departe partea opusă molecule, în apropierea nucleului de oxigen, există un exces de densitate electronică. Această structură este cea care determină polaritatea moleculei de apă.

2. Ce cantitate de apă (în%) este conținută în diferite celule?

Cantitatea de apă variază în diferite țesuturi și organe. Astfel, la om, conținutul său în substanța cenușie a creierului este de 85%, iar în țesutul osos - 22%. Cel mai mare conținut de apă din organism se observă în perioada embrionară(95%) și scade treptat odată cu vârsta.

Conținutul de apă din diferite organe ale plantelor variază în limite destul de largi. Acesta variază în funcție de condițiile de mediu, vârsta și tipul plantelor. Astfel, conținutul de apă din frunzele de salată este de 93-95%, porumb - 75-77%. Cantitatea de apă variază în diferite organe ale plantei: frunzele de floarea soarelui conțin 80-83% apă, tulpini - 87-89%, rădăcini - 73-75%. Conținutul de apă de 6-11% este tipic în principal pentru semințele uscate la aer, în care procesele vitale sunt inhibate. Apa este conținută în celulele vii, elementele de xilem moarte și spațiile intercelulare. În spațiile intercelulare, apa este în stare de vapori. Principalele organe de evaporare ale plantei sunt frunzele. În acest sens, este firesc ca cea mai mare cantitate de apă să umple spațiile intercelulare ale frunzelor. În stare lichidă, apa se găsește în diferite părți ale celulei: membrana celulară, vacuola, citoplasmă. Vacuolele sunt partea cea mai bogată în apă a celulei, unde conținutul său ajunge la 98%. La cel mai mare conținut de apă, conținutul de apă din citoplasmă este de 95%. Cel mai scăzut conținut de apă este caracteristic membranelor celulare. Determinarea cantitativă a conținutului de apă din membranele celulare este dificilă; se pare că variază de la 30 la 50%. Formele de apă din diferite părți ale celulei plantei sunt, de asemenea, diferite.

3. Care este rolul apei în organismele vii?

Răspuns. Apa este componenta predominantă a tuturor organismelor vii. Are proprietăți unice datorită caracteristicilor sale structurale: moleculele de apă au forma unui dipol și între ele se formează legături de hidrogen. Conținutul mediu de apă din celulele majorității organismelor vii este de aproximativ 70%. Apa în celulă este prezentă în două forme: liberă (95% din toată apa celulară) și legată (4-5% legată de proteine).

Functiile apei:

1.Apa ca solvent. Multe reacții chimice dintr-o celulă sunt ionice și, prin urmare, apar numai în mediu acvatic. Substantele care se dizolva in apa se numesc hidrofile (alcooli, zaharuri, aldehide, aminoacizi), cele care nu se dizolva se numesc hidrofobe (acizi grasi, celuloza).

2.Apa ca reactiv. Apa este implicată în multe reacții chimice: reacții de polimerizare, hidroliză și în procesul de fotosinteză.

3.Funcția de transport. Mișcarea în tot corpul, împreună cu apa de substanțe dizolvate în el în diferitele sale părți și eliminarea produselor inutile din organism.

4.Apa ca termostabilizator și termostat. Această funcție se datorează unor proprietăți ale apei, cum ar fi capacitatea ridicată de căldură - înmoaie efectul asupra corpului al schimbărilor semnificative de temperatură în mediu; conductivitate termică ridicată - permite corpului să mențină aceeași temperatură pe întregul său volum; căldură mare de evaporare – folosită pentru răcirea corpului în timpul transpirației la mamifere și transpirației la plante.

5.Funcția structurală. Citoplasma celulelor conține între 60 și 95% apă, iar aceasta este cea care conferă celulelor forma lor normală. La plante, apa menține turgul (elasticitatea membranei endoplasmatice), la unele animale servește ca schelet hidrostatic (meduze)

Întrebări după § 7

1. Care este particularitatea structurii moleculei de apă?

Răspuns. Proprietăți unice apa este determinată de structura moleculei sale. O moleculă de apă constă dintr-un atom de O legat de doi atomi de H polari legături covalente. Dispunerea caracteristică a electronilor într-o moleculă de apă îi conferă asimetrie electrică. Cu cât atomul de oxigen mai electronegativ atrage electronii atomilor de hidrogen mai puternic, drept urmare perechile comune de electroni din molecula de apă sunt deplasate către el. Prin urmare, deși molecula de apă în ansamblu este neîncărcată, fiecare dintre cei doi atomi de hidrogen poartă o sarcină parțial pozitivă (notat 8+), iar atomul de oxigen poartă o sarcină parțial negativă (8-). Molecula de apă este polarizată și este un dipol (are doi poli).

Sarcina parțial negativă a atomului de oxigen al unei molecule de apă este parțial atrasă atomi pozitivi hidrogenul altor molecule. Astfel, fiecare moleculă de apă tinde să facă legătura de hidrogen cu patru molecule de apă învecinate.

2. Care este importanța apei ca solvent?

Răspuns. Datorită polarității moleculelor și capacității de a forma legături de hidrogen, apa dizolvă ușor compușii ionici (săruri, acizi, baze). Unii compuși neionici, dar polari, sunt, de asemenea, solubili în apă, adică a căror moleculă conține grupări încărcate (polare), de exemplu zaharuri, alcooli simpli, aminoacizi. Substanțele care sunt foarte solubile în apă se numesc hidrofile (din grecescul hygros - umed și philia - prietenie, înclinație). Când o substanță intră în soluție, moleculele sau ionii ei se pot mișca mai liber și, prin urmare, reactivitatea substanței crește. Acest lucru explică de ce apa este principalul mediu în care au loc majoritatea reacțiilor chimice și toate reacțiile de hidroliză și numeroasele reacții redox au loc cu participarea directă a apei.

Substanțele care sunt slab sau complet insolubile în apă sunt numite hidrofobe (din grecescul phobos - frică). Acestea includ grăsimi, acizi nucleici, unele proteine și polizaharide. Astfel de substanțe pot forma interfețe cu apa la care au loc multe reacții chimice. Prin urmare, faptul că apa nu dizolvă substanțele nepolare este, de asemenea, foarte important pentru organismele vii. Printre proprietățile importante din punct de vedere fiziologic ale apei se numără capacitatea acesteia de a dizolva gazele (O2, CO2 etc.).

3. Care este conductibilitatea termică și capacitatea de căldură a apei?

Răspuns. Apa are o capacitate ridicată de căldură, adică capacitatea de a absorbi energia termică cu o creștere minimă a propriei temperaturi. Capacitatea mare de căldură a apei protejează țesuturile corpului de creșterile rapide și puternice de temperatură. Multe organisme se răcesc prin evaporarea apei (transpirație la plante, transpirație la animale).

4. De ce se crede că apa este un lichid ideal pentru o celulă?

Răspuns. Un conținut ridicat de apă într-o celulă este cea mai importantă condiție pentru activitatea acesteia. Odată cu pierderea cea mai mare parte a apei, multe organisme mor, și un număr de unicelulare și chiar organisme pluricelulare pierde temporar toate semnele de viață. Această stare se numește animație suspendată. După hidratare, celulele se trezesc și redevin active.

Molecula de apă este neutră din punct de vedere electric. Dar sarcina electrică din interiorul moleculei este distribuită neuniform: în regiunea atomilor de hidrogen (mai precis, protonii) predomină. sarcina pozitiva, în regiunea în care se află oxigenul, densitatea de sarcină negativă este mai mare. Prin urmare, o particulă de apă este un dipol. Proprietatea de dipol a unei molecule de apă explică capacitatea sa de a se orienta într-un câmp electric și de a se atașa de diferite molecule și secțiuni de molecule care poartă o sarcină. Ca rezultat, se formează hidrații. Capacitatea apei de a forma hidrați se datorează proprietăților sale universale de solvent. Dacă energia de atracție a moleculelor de apă către moleculele unei substanțe este mai mare decât energia de atracție dintre moleculele de apă, atunci substanța se dizolvă. În funcție de aceasta, se face o distincție între substanțele hidrofile (greacă hydros - apă și phileo - dragoste) care sunt foarte solubile în apă (de exemplu, săruri, alcaline, acizi etc.) și hidrofobe (greacă hydros - apă și phobos). - frica) substante, greu sau deloc solubile in apa (grasimi, substante asemanatoare grasimilor, cauciuc etc.). Compoziția membranelor celulare include substanțe asemănătoare grăsimilor care limitează tranziția de la mediul exteriorîn celule și înapoi, precum și dintr-o parte a celulei în alta.

Majoritatea reacțiilor care apar într-o celulă pot avea loc numai într-o soluție apoasă. Apa este un participant direct la multe reacții. De exemplu, descompunerea proteinelor, carbohidraților și a altor substanțe are loc ca urmare a interacțiunii lor cu apa catalizată de enzime. Astfel de reacții se numesc reacții de hidroliză (greacă hydros - apă și liză - scindare).

Apa are o capacitate termică mare și, în același timp, o conductivitate termică relativ mare pentru lichide. Aceste proprietăți fac din apa un lichid ideal pentru menținerea echilibrului termic al celulelor și organismelor.

Apa este principalul mediu pentru reacțiile biochimice ale celulei. Este o sursă de oxigen eliberat în timpul fotosintezei și hidrogen, care este folosit pentru a restabili produsele de asimilare. dioxid de carbon. Și în sfârșit, apa este principalul mijloc de transport al substanțelor în organism (fluxul sanguin și limfatic, curenții ascendenți și descendenți de soluții prin vasele plantelor) și în celulă.

5. Care este rolul apei în celulă

Asigurarea elasticitatii celulare. Consecințele pierderii celulelor de apă sunt ofilirea frunzelor, uscarea fructelor;

Accelerarea reacțiilor chimice prin dizolvarea substanțelor în apă;

Asigurarea mișcării substanțelor: intrarea majorității substanțelor în celulă și îndepărtarea lor din celulă sub formă de soluții;

Asigurând dizolvarea multora chimicale(un număr de săruri, zaharuri);

Participarea la o serie de reacții chimice;

Participarea la procesul de termoreglare datorită capacității de a se încălzi și de a se răci lent.

6. Ce proprietăți structurale și fizico-chimice ale apei o determină rol biologic intr-o cusca?

Răspuns. Proprietățile fizico-chimice structurale ale apei determină funcțiile sale biologice.

Apa este un solvent bun. Datorită polarității moleculelor și capacității de a forma legături de hidrogen, apa dizolvă ușor compușii ionici (săruri, acizi, baze).

Apa are o capacitate ridicată de căldură, adică capacitatea de a absorbi energia termică cu o creștere minimă a propriei temperaturi. Capacitatea mare de căldură a apei protejează țesuturile corpului de creșterile rapide și puternice de temperatură. Multe organisme se răcesc prin evaporarea apei (transpirație la plante, transpirație la animale).

Apa are și conductivitate termică ridicată, asigurând o distribuție uniformă a căldurii în întregul corp. În consecință, capacitatea de căldură specifică mare și conductibilitatea termică ridicată fac din apa un lichid ideal pentru menținerea echilibrului termic al celulelor și organismelor.

Apa practic nu se comprimă, creând presiunea turgenței, determinând volumul și elasticitatea celulelor și țesuturilor. Astfel, scheletul hidrostatic este cel care menține forma viermilor rotunzi, meduze și alte organisme.

Apa se caracterizează prin optim sisteme biologice valoarea forței tensiune superficială, care apare din cauza formării legăturilor de hidrogen între moleculele de apă și moleculele altor substanțe. Datorită forței tensiunii superficiale, în plante apar fluxul sanguin capilar, curenții ascendenți și descendenți ai soluțiilor.

În anumite procese biochimice, apa acționează ca substrat.