Химические элементы клетки, вода, соли и осмос
Выясним, почему состав клетки не равен перечню элементов, как свойства воды поддерживают реакции и что в действительности происходит при осмосе.
Федеральная программа · базовый уровень · 10 класс
Химический состав и строение клетки
Элементы программы, раскрываемые в этом уроке:
- Макроэлементы и микроэлементы клетки
- Вода как растворитель и участник реакций
- Функции минеральных ионов
- Осмотический баланс и избирательно проницаемая мембрана
- Связь состава веществ с работой клеточных структур
Как это устроено
В клетках есть те же химические элементы, что и в неживой природе; различаются их сочетания, количества и организация. Макроэлемент не «важнее» микроэлемента: слово описывает потребное или обнаруживаемое количество. Углерод образует каркасы органических молекул; азот входит в аминокислоты и основания нуклеотидов; фосфор — в АТФ и нуклеиновые кислоты. Значение элемента устанавливают по конкретной функции и состоянию организма, а не по общему списку полезных веществ.
Полярность и водородные связи объясняют многие свойства воды. Вода создаёт среду для движения ионов и молекул, участвует в реакциях расщепления и синтеза, помогает переносить тепло благодаря высокой удельной теплоёмкости. Но «универсальный растворитель» — упрощение: неполярные липиды плохо растворяются в воде и поэтому могут формировать мембраны. Растворённые вещества также меняют доступность воды и её движение через мембрану.
Мембрана пропускает разные вещества неодинаково. При осмосе молекулы воды движутся в обе стороны, а наблюдаемое изменение объёма связано с неравенством суммарных потоков. Формула «вода всегда идёт к соли» годится только как грубая подсказка для некоторых условий: важны все растворённые частицы, проницаемость мембраны и давление. У растительной клетки стенка ограничивает расширение и поддерживает тургор; животная клетка такой жёсткой стенки не имеет.
Ионы выполняют разные роли: натрий, калий и хлорид участвуют в поддержании электрических и осмотических условий; кальций может служить клеточным сигналом; фосфаты входят в АТФ и нуклеиновые кислоты. Малая или большая концентрация одного иона может нарушать процессы, но школьный опыт с раствором не позволяет ставить человеку диагноз дефицита минерала. Организм регулирует содержание веществ через питание, транспорт и выделение.
Словарь урока
Каждое понятие — с примером
- Химический элемент
Вид атомов с одинаковым числом протонов в ядре; атомы элементов входят в молекулы и ионы клеточных веществ.
Пример: Атомы углерода входят в молекулы глюкозы, липидов, белков и нуклеиновых кислот.
- Макроэлемент
Химический элемент, необходимый живой системе и содержащийся в её веществе в сравнительно больших количествах; граница количества зависит от принятой классификации.
Пример: Углерод, водород, кислород, азот и фосфор входят в основные клеточные соединения.
- Микроэлемент
Необходимый элемент, присутствующий обычно в намного меньших количествах, но выполняющий определённые функции в клетках и тканях.
Пример: Ион железа входит в состав гемоглобина и некоторых ферментов, хотя нужен в меньшем количестве, чем углерод.
- Полярная молекула
Молекула с неравномерным распределением электрического заряда между её частями вследствие строения связей и формы.
Пример: Молекула воды полярна, поэтому взаимодействует со многими ионами и полярными веществами.
- Водородная связь
Сравнительно слабое взаимодействие с участием водорода и электроотрицательного атома, существенное для свойств воды и структуры биомолекул.
Пример: Между молекулами воды возникает сеть водородных связей, влияющая на теплоёмкость.
- Растворитель
Компонент раствора, среда в которой распределяются частицы растворённого вещества; растворение зависит от свойств обоих веществ.
Пример: Вода растворяет многие соли и сахара, но плохо растворяет неполярные жиры.
- Минеральный ион
Электрически заряженная частица неорганического вещества, участвующая в поддержании среды клетки и работе её молекул.
Пример: Ионы калия и натрия участвуют в изменении мембранного потенциала нервной клетки.
- Диффузия
Суммарное перемещение частиц вследствие случайного теплового движения из области большей концентрации в область меньшей при наличии возможности пройти.
Пример: Краситель постепенно распространяется в неподвижной воде даже без перемешивания.
- Осмос
Суммарный переход молекул воды через избирательно проницаемую мембрану, определяемый разницей химического потенциала воды по обе стороны.
Пример: Растительная клетка в достаточно разбавленной среде обычно получает воду и повышает тургор.
- Осмотический баланс
Состояние, при котором потоки воды и концентрации растворённых частиц поддерживаются в допустимых для клетки пределах.
Пример: Клетка регулирует содержание ионов, чтобы не терять слишком много воды и не набухать сверх меры.
- Тургор
Давление содержимого растительной клетки на клеточную стенку, возникающее при поступлении воды и ограничении расширения стенкой.
Пример: При нехватке воды тургор листовых клеток уменьшается и лист может поникнуть.
Пример по шагам
Клетки кожицы лука поместили сначала в воду, затем в концентрированный солевой раствор; содержимое отошло от стенки. Что произошло?
- Уточним границы: стенка остаётся, а плазматическая мембрана и содержимое клетки изменяют положение.
- Из-за различия доступности воды через мембрану суммарный поток воды направлен из клетки в более концентрированную внешнюю среду.
- Уменьшение объёма содержимого и отход мембраны от стенки называют плазмолизом; скорость и степень зависят от раствора и состояния клетки.
Вывод: Наблюдаемое изменение связано с осмосом, но по одной фотографии нельзя вычислить концентрации или жизнеспособность клетки.
Практическая работа
Модель осмоса на готовых изображениях клеток
- Рассмотрите готовые микрофотографии клеток кожицы лука до и после воздействия раствора, не подготавливая концентрированный раствор самостоятельно.
- Отметьте, где стенка, мембрана и содержимое клетки; сравните форму и положение, а не только цвет.
- Нарисуйте стрелки движения воды в обе стороны и отдельно обозначьте преобладающий суммарный поток.
- Укажите, что состав раствора, время опыта и состояние клеток нужно знать для более точного вывода.
Что можно заключить: Изображение позволяет описать плазмолиз, но не измеряет само по себе концентрацию и не заменяет контроль условий.
Безопасность: Используйте готовые учебные изображения или готовые микропрепараты; не пробуйте растворы и не работайте с неизвестными химикатами.
Попробуйте сами
Запишите своё решение, затем сравните его с разбором. Развёрнутые ответы автоматически не оцениваются.
Открываем задания…
Сверка содержания
Раздел и элементы содержания сверены с федеральной программой. Текст и учебные схемы созданы для Умблика; схема не передаёт реальные размеры.