Вода - самое распространенное соединение в живых системах. Но содержание воды колеблется в широких пределах: от 10% (эмаль зубов), 20% (костная ткань), до 85% (головной мозг человека), в сухих семенах 10-12%, у медузы 95-98%, т.е. весь организм по существу состоит из воды. Потеря 20% воды приводит к гибели клетки или анабиозу.
Свойства воды уникальны, т.е. ни одно другое соединение не обладает ими. Это обусловлено строением ее молекул: один атом кислорода связан прочной ковалентной связью с двумя атомами водорода, т.е. Н 2 О – очень простое соединение. Атомы водорода присоединены к кислороду под углом 104,5 0 .
Рис.1. Строение молекулы воды.
Особенности физических свойств воды связаны со структурой её молекулы и особенностями межмолекулярных взаимодействий. Распределение электронной плотности в молекуле воды таково (рис.1, б, в), что создаются 4 полюса зарядов: 2 положительных, связанных с атомами водорода, и 2 отрицательных, связанных с электронными облаками электронов атома кислорода. Указанные 4 полюса зарядов располагаются в вершинах тетраэдра (рис. 1, г). Благодаря этому молекула воды дипольна, а четыре полюса зарядов позволяют каждой молекуле образовать четыре водородные связи с соседними (такими же) молекулами. В результате образуются кластеры (при мгновенном замораживании они похожи на красивые снежинки, рис.2.).
Рис.2. Образование кластера воды.
Кластеры образуют рабочую «структуру воды». Водородные связи слабые, в 15-20 раз слабее ковалентных. Поэтому одни связи легко рвутся, другие возникают. Вследствие этого молекулы очень подвижны. Любые внешние изменения (температуры, давления и т.д.) меняют эту рабочую структуру. Таким образом, вода обладает высокой чувствительностью и памятью.
Молекулы воды могут присоединяться к молекулам, несущим электронный заряд, в результате образуются гидраты. Если сила притяжения между молекулами воды меньше, чем притяжение воды к молекулам вещества – вещество растворяется.
Свойства и функции воды.
1. Связывает в единую систему всю живую и неживую природу на планете. Вода подвижна, изменчива, но меняется не химический состав молекул, а структура кластера.
2. Вода - универсальный растворитель. Из-за полярности она не имеет в этом себе равных: в воде растворяется больше веществ, чем в каких-либо других жидкостях. Вещества в клетку поступают и выводятся только в растворенном виде.
3. По отношению к воде вещества в клетке делятся на 2 группы:
а) гидрофобные (fobos – страх, ужас): нерастворимы в воде (жиры, полисахариды и др.)
б) гидрофильные (fileon – люблю): растворимы в воде (минеральные соли, кислоты, моносахариды и др.)
Благодаря этому свойству воды (за счет гидрофобных взаимодействий) в клетке собираются:
1) биологические мембраны,
2) белки и ДНК принимают форму спирали.
4. Для воды характерна высокая теплоемкость (т.е. чтобы поднять температуру воды и разорвать водородные связи требуется много энергии). Так температура кипения воды 100 0 С, а у спирта 70 0 С.
5. Высокая теплопроводность. Благодаря этому свойству в клетке и организме поддерживается тепловое равновесие.
6. Вода сама как химическое соединение участвует во многих химических реакциях. Например, реакции гидролиза идут за счет присоединения воды.
7. Является источником О 2 и Н + при фотосинтезе (фотолиз воды).
8. Вода – основная среда для транспорта веществ в клетке (диффузия) и организме (токи крови и лимфы, межтканевой жидкости, содержащими питательные вещества, О 2 и СО 2 , гормоны, вещества, включающие и выключающие работу генов). Это транспортная функция.
9. Обеспечивает объем и упругость клетки: тургорное и осмотическое давление, сохраняет форму клеток и организмов (гидроскелет у круглых и кольчатых червей).
10. Среда для оплодотворения.
11. Среда для жизни водных организмов.
12. Среда для развития зародышей животных (в амнионе).
13. Участвует в образовании смазочных жидкостей в суставах, плевральной полости, околосердечной сумке.
14. Образует слизи, обеспечивающие передвижение веществ по кишечнику, влажную среду на слизистых оболочках (чихание, кашель).
15. Участвует в образовании секретов (слюна, слезы, желчь, сперма и соли в организме).
16. Вода - лимитирующий фактор жизни на нашей планете. Всюду, где есть вода, есть жизнь, где нет воды – там нет жизни.
Вода - это уникальное вещество. Оно распространено везде на нашей планете. Попробуйте представить, какой была бы наша жизнь без молекулы Н2О? Да и представлять нечего - жизни на нашей планете не было бы. Человек на 70% состоит из воды. Чем моложе организм, тем больше ее он содержит, а с возрастом это количество уменьшается. Для примера возьмем зародыш - в нем процентное содержание Н2О составляет 90%.
В статье мы предлагаем вам выделить все в клетке и подробно рассмотреть каждую. Важно упомянуть, что она там содержится в двух формах: свободной и связанной. Мы с этим столкнемся немного позже.
Вода
Каждый и сам знает, что вода играет очень важную, а точнее, ключевую роль в нашей жизни. Без нее наша планета была бы мертвой, безжизненной пустыней. Ученые и по сей день изучают воду и ее роль в организме человека.
Мы уже говорили о том, что вода встречается в наших клетках в свободной и связанной форме. Первая служит для распространения веществ - для переноса их внутрь клетки и из нее. А последняя наблюдается:
- между волокон;
- мембран;
- белковых молекул;
- клеточных структур.
И свободная, и связанная вода в клетке обязательно выполняет какие-то функции, о которых мы скажем позже. А сейчас - пару слов о том, как организована сама молекула Н2О.
Молекула
Для начала, обозначим молекулярную формулу воды: Н2О. Это очень распространенное вещество на планете, и вам стоит запомнить ее, ведь молекулярная формула воды встречается довольно часто в разных областях знаний. Она, кстати, содержится во всех органах человека, даже в зубной эмали и костях, правда, там ее процентное соотношение очень мало - 10% и 20%, соответственно.
Как мы уже говорили, чем организм моложе, тем воды в нем больше. Ученые предположили, что мы стареем из-за того, что белок не может связать большое количество воды. Но это, правда, только гипотеза.
Функции
Теперь выделим большее их количество ясно из приведенного далее списка:
- Н2О может выступать в роли растворителя, так как практически все химические реакции - ионные - и происходят в воде. Следует отметить, что существуют вещества гидрофильные (которые растворяются, например, спирт, сахар, аминокислоты и так далее), но встречаются и гидрофобные (жирные кислоты, целлюлоза и другие).
- Вода может выступать реагентом.
- Выполняет транспортную, терморегулирующую и структурную функцию.
Предлагаем каждую из них рассмотреть отдельно. Будем идти по порядку, первая в нашем списке - это функция растворителя.
Растворитель
Функции воды в клетке многочисленны, но одна из самых важных - это помощь в протекании множества реакций. Молекула Н2О может выступать в роли растворителя. Практически все реакции, протекающие в клетке - это ионные, то есть среда, в которой они могут проходить - это вода.
Реагент
Следующие функции воды в клетке - это ее участие в химических рекациях, проходящих в организме в качестве реагента. К таким можно отнести:
- гидролиз;
- полимеризацию;
- фотосинтез и так далее.
Теперь немного о том, В химии так называют вещество, участвующее в некоторых химических реакциях. Самое важное - это то, что оно хоть и участвует в реакции, но объектом обработки при этом не является. Реагенты в лаборатории (по-другому еще их называют реактивами) - это довольно распространенное явление.
Вода, как реагент, участвует при составлении других нужных организму веществ.
Транспортная функция
Почему мы живем? Наш организм существует только благодаря тому, что живы клетки, из которых он состоит. А им стоит благодарить свою уникальную структуру и некоторые возможности молекулы Н2О. Мы уже упоминали то, что вода - это неотъемлемая часть нашего организма, и каждая клетка содержит в себе эти уникальные молекулы, а точнее, находится на первом месте в ее составе.
Транспортная функция воды в клетке - это еще одно предназначение Н2О в нашем организме. Вода обладает некоторой особенностью - проникновение в межклеточное пространство, благодаря этому питательные вещества попадают в клетку.
Еще стоит знать, что кровь и лимфа так же содержит воду, а ее нехватка приводит к некоторым последствиям: кровоизлияниям или тромбозу.
Терморегуляция
Какие функции воды в клетке мы еще не разобрали? Конечно, терморегуляцию. Мы говорили, что вода способна поглощать тепло и долгое время его сохранять. Таким образом, Н2О может уберегать клетку от переохлаждения или перегрева. Функция терморегуляции нужна не только для отдельных клеток, но и для всего организма в целом.
Структурная функция
Мы уже перечислили, осталось разобрать еще одно предназначение - это поддержание структуры клеток.
Вы когда-нибудь пробовали сжимать воду в жидком состоянии? Даже в лабораторных условиях этого добиться крайне тяжело. Данное свойство воды необходимо для того, чтобы поддерживать форму и структуру каждой клетки.
Запомните навсегда: без воды жизнь невозможна. Мы испытываем жажду, когда организм теряет порядка 3% воды, а при потере 20%, клетки гибнут, а, следовательно, и человек тоже. Следите за тем, сколько воды вы выпиваете.
Некоторым ученикам приходится писать в школе эссе на тему: «Какую роль в клетке играет вода?». И каждый прилежный ученик из курса общей биологии знает, что без нее жизнь человечества невозможна. Если человек теряет до 3% жидкости, то начинает испытывать жажду. При потере около 20% жидкости клетки в живом организме начинают отмирать, что приводит в конечном итоге к гибели.
Вконтакте
Одноклассники
Значение воды для жизнедеятельности клетки
На нашей планете это вещество является самым распространенным . Каждая клетка живого организма содержит его тем больше, чем интенсивнее она участвует в обменных процессах.
В организме это вещество содержится в связной и свободной форме. Свободная жидкость участвует в транспортировке из внешней среды в клетку и наоборот. Свободная жидкость выступает в роли растворителя и содержится в количестве 95% от общей массы. Содержится она в полостях органов, вакуолях, межклеточном пространстве и сосудах.
Связанная жидкость может находиться между волокнами, молекулами белка, мембранами, в клеточных структурах и образовывает соединения с некоторыми белками. Связанной жидкости в каждой клетке содержится не более 4% от общего количества.
Свойства
Это вещество для человека, как и любого другого живого организма, имеет большее значение, чем пища. Она является главным элементом жизни организма и обеспечивает:
В составе любой клетки, как видно в таблице ниже, первое место занимает вода по количественному составу .
Функции
Как известно из курса школьной химии, вода служит катализатором для протекания разнообразных процессов в организме. Внутри клеток любого живого организма происходят различные химические реакции, где участие воды протекает в качестве реагента .
В процессе пищеварения происходит белков, углеводов и жиров с участием молекул воды и высвобождается энергия, способная обеспечить процессы жизнедеятельности.
Участие в гидролизе солей позволяет ей служить источником для протонов и электронов. Главный показатель для внутриклеточных процессов - это способность вещества жидкости участвовать в обратимой ионизации и образовывать связи с водородом.
Транспортную функцию внутри органов живого организма выполняет тоже это вещество. Все продукты жизнедеятельности клетки выводятся молекулами жидкости. Питательные вещества клеткам доставляют молекулы жидкого вещества, проникая в межклеточное пространство.
Главным компонентом для лимфы и крови является жидкость. Недостаток ее в организме приводит к загустению крови и ломкости сосудов. Местно это выражается в виде тромбозов и кровоизлияний.
Постоянство структуры органов и тканей обеспечивается тем, что она в жидком виде не сжимается, образуя оптимальное внутриклеточное давление и поддерживая структуру клетки.
Постоянная температура внутри организма поддерживается благодаря тому, что молекула жидкости является теплоемкой структурой . Большое количество энергии образуется и при расщеплении жиров, что также служит для поддержки оптимальной температуры.
Это вещество имеет маленький размер молекул, полярность и способность молекул соединяться друг с другом при помощи водородных связей, что обуславливает ее биологическую роль.
Можно выделить две функции воды с точки зрения биологических процессов:
Фотолиз
При фотосинтезе это вещество является источников ионов водорода. При фотосинтезе происходит фотолиз. В переводе с греческого это явление обозначает растворение, распад или разложение с участием света. Фотолиз осуществляется в период световой фазы фотосинтеза, где под действием света молекула этого вещества распадается на ионы.
В результате фотолиза молекула воды распадается на протоны и электроны и выделяет в качестве побочного продукта кислород. Именно этим кислородом и дышат все живые существа на планете.
Уникальные свойства позволили воде играть в клетке роль растворителя, терморегулятора, а также поддерживать структуру клеток и осуществлять транспортировку веществ.
Природа водородных связей
Сама молекула Н 2 O электронейтральна, но заряд внутри молекулы распределен неравномерно: в области атомов водорода небольшой положительный, а в области, где расположен атом кислорода, небольшой отрицательный заряд. Благодаря этому молекулы воды могут взаимодействовать друг с другом с образованием так называемых водородных связей.
Водородные связи
Водородная связь определяет уникальные свойства воды:
У воды очень высокие температуры кипения, плавления и парообразования, так как нужно затратить дополнительную энергию на разрыв водородных связей. Только вода находится во всех трех агрегатных состояниях одновременно. Другие вещества со сходным строением и молекулярной массой, такие как H 2 S, HCl, NH 3 при обычных условиях являются газами.
Реакцию]].
Гидрофобные вещества не будут растворяться в воде, зато молекулы H 2 O смогут отделить гидрофобное вещество от самой толщи воды. Например, жиры - фосфолипиды, из которых состоит клеточная мембрана, могут благодаря взаимодействию с водой формировать липидный бислой.
Участие в химических реакциях
Вода в качестве реагента участвует во многих химических реакциях:
- В ходе фотосинтеза у растений происходит фотолиз воды - водород из состава воды входит в органические вещества, а свободный кислород выделяется в атмосферу.
Уравнение фотосинтеза:
6H 2 O+6CO 2 =C 6 H 12 O 6 + 6O 2
- Вода участвует в гидролизе разрушении веществ с присоединением воды. Например, гидролиз жиров, белков и углеводов происходит при переваривании пищи, а при гидролизе АТФ выделяется энергия, обеспечивающая нужды клетки.
- При гидролизе солей вода является источником протонов и электронов.
Поддержание структуры клеток
Вода практически не сжимаема, и поэтому служит гидростатическим скелетом клетки. За счет осмоса вода создает избыточное давление внутри вакуолей растительных клеток, это тургорное давление обеспечивает упругость клеточной стенки и поддержание формы органов.
Транспорт веществ
- У растений, благодаря, в частности, капиллярному эффекту, характерному для воды осуществляется подъем от корня к другим частям растения растворенных в воде минеральных солей по сосудам. Также из-за когезии вода в почве доступна для всасывания через корневые волоски.
- Транспорт продуктов фотосинтеза происходит посредством перемещения по ситовидным трубкам водного раствора сахарозы.
- Выведение, перемещение продуктов обмена веществ в растворенном виде у животных.
Участие в терморегуляции
Вследствие своей большой теплоемкости 4200 Дж/ вода обеспечивает примерное постоянство температуры внутри клетки. Вода может переносить большое количество теплоты, отдавая ее там, где температура тканей ниже, и забирая там, где температура более высокая. Также при испарении воды происходит значительное охлаждение из-за того, что много энергии тратится на разрыв водородных связей при переходе из одного агрегатного состояния в другое.
Вода (H 2 O)
- важнейшее неорганическое вещество клетки. В клетке в количественном отношении вода занимает первое место среди других химических соединений. Вода выполняет различные функции: сохранение объема, упругости клетки, участие во всех химических реакциях. Все биохимические реакции происходят в водных растворах. Чем выше интенсивность обмена веществ в той или иной клетке, тем больше в ней содержится воды.
Обрати внимание!
Вода в клетке находится в двух формах: свободной и связанной.
Свободная вода
находится в межклеточных пространствах, сосудах, вакуолях, полостях органов. Она служит для переноса веществ из окружающей среды в клетку и наоборот.
Связанная вода
входит в состав некоторых клеточных структур, находясь между молекулами белка, мембранами, волокнами и соединена с некоторыми белками.
Вода обладает рядом свойств, имеющих исключительно важное значение для живых организмов.
Структура молекулы воды
Уникальные свойства воды определяются структурой ее молекулы.
Между отдельными молекулами воды образуются водородные связи, определяющие физические и химические свойства воды.
Характерное расположение электронов в молекуле воды придает ей электрическую асимметрию. Более электроотрицательный атом кислорода притягивает электроны атомов водорода сильнее, в результате молекула воды является диполем
(обладает полярностью). Каждый из двух атомов водорода обладает частично положительным зарядом, а атом кислорода несет частично отрицательный заряд.
Частично отрицательный заряд атома кислорода одной молекулы воды притягивается частично положительными атомами водорода других молекул. Таким образом, каждая молекула воды стремится связаться водородной связью с четырьмя соседними молекулами воды.
Свойства воды
Так как молекулы воды полярны, то вода обладает свойством растворять полярные молекулы других веществ.
Вещества, растворимые в воде, называются гидрофильными
(соли, сахара, простые спирты, аминокислоты, неорганические кислоты). Когда вещество переходит в раствор, его молекулы или ионы могут двигаться более свободно и, следовательно, реакционная способность вещества возрастает.
Вещества, нерастворимые в воде называются гидрофобными (жиры, нуклеиновые кислоты, некоторые белки). Такие вещества могут образовывать с водой поверхности раздела, на которых протекают многие химические реакции. Следовательно, тот факт, что вода не растворяет некоторые вещества, для живых организмов также очень важен.
Вода обладает высокой удельной теплоёмкостью
, т.е. способностью поглощать тепловую энергию при минимальном повышении собственной температуры. Чтобы разорвать многочисленные водородные связи, имеющиеся между молекулами воды, требуется поглотить большое количество энергии. Это свойство воды обеспечивает поддержание теплового баланса в организме. Большая теплоёмкость воды защищает ткани организма от быстрого и сильного повышения температуры.
Для испарения воды необходима достаточно большая энергия. Использование значительного количества энергии на разрыв водородных связей при испарении способствует его охлаждению. Это свойство воды предохраняет организм от перегрева.
Пример:
Примерами этого могут являться транспирация у растений и потоотделение у животных.
Вода обладает также высокой теплопроводностью, обеспечивая равномерное распределение тепла по всему организму.
Обрати внимание!
Высокая удельная теплоемкость и высокая теплопроводность делает воду идеальной жидкостью для поддержания теплового равновесия клетки и организма.
Вода практически не сжимается
, создавая тургорное давление, определяя объем и упругость клеток и тканей.
Пример:
Гидростатический скелет поддерживает форму у круглых червей, медуз и других организмов.
Благодаря силам сцепления молекул на поверхности воды создается плёнка, обладающая такой характеристикой, как поверхностное натяжение.
Пример:
Благодаря силе поверхностного натяжения происходит капиллярный кровоток, восходящий и нисходящий токи растворов в растениях.
К числу важных в физиологическом отношении свойств воды относится её способность растворять газы (O 2 , CO 2 и др.).
Вода является также источником кислорода и водорода, выделяемых при фотолизе в световую фазу фотосинтеза.
Биологические функции воды
- Вода обеспечивает передвижение веществ в клетке и организме, поглощение веществ и выведение продуктов метаболизма. В природе вода переносит продукты жизнедеятельности в почвы и к водоемам.
- Вода - активный участник реакций обмена веществ.
- Вода участвует в образовании смазывающих жидкостей и слизей, секретов и соков в организме (эти жидкости находятся в суставах позвоночных животных, в плевральной полости, в околосердечной сумке).
- Вода входит в состав слизей, которые облегчают передвижение веществ по кишечнику, создают влажную среду на слизистых оболочках дыхательных путей. Водную основу имеют и секреты, выделяемые некоторыми железами и органами: слюна, слёзы, желчь, сперма и т.д.