Вода, значение воды в клетке

                    Вода, значение воды в клетке.

Вода — самое распространенное неорганическое соединение. Содержание воды составляет от 10% (зубная эмаль) до 90% массы клетки (развивающийся эмбрион). Без воды жизнь невозможна, биологическое  значение воды определяется ее химическими  и физическими свойствами.Молекула воды имеет угловую форму: атомы водорода по отношению к кислороду образуют угол, равный 104,5°. Та часть молекулы, где находится водород, заряжена положительно, часть, где находится кислород, — отрицательно, в связи с этим молекула воды является диполем. Между диполями воды образуются водородные связи. Физические свойства воды: прозрачна, максимальная плотность — при 4 °С, высокая теплоемкость, практически не сжимается; чистая вода плохо проводит тепло и электричество, замерзает при 0 °С, кипит при 100 °С и т.д. Химические свойства воды: хороший растворитель, образует гидраты, вступает в реакции гидролитического разложения, взаимодействует со многими оксидами и т.д. По отношению к способности растворяться в воде различают: гидрофильные вещества — хорошо растворимые, гидрофобные вещества — практически нерастворимые в воде.

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 выполняет различные функции: сохранение объема, упругости клетки, растворение различных веществ. Кроме того, в живых системах большая  часть химических реакций протекает  в водных растворах.

Вода обладает рядом свойств, имеющих  исключительно важное значение для живых организмов. Уникальные свойства воды определяются структурой ее молекулы. Молекула воды состоит из атома О, связанного с двумя атомами Н полярными ковалентными связями. Характерное расположение электронов в молекуле воды придает ей электрическую асимметрию. Более электроотрицательный атом кислорода притягивает электроны атомов водорода сильнее, в результате общие пары электронов смещены в молекуле воды в его сторону.

Поэтому, хотя молекула воды в целом  не заряжена, каждый из двух атомов водорода обладает частично положительным зарядом (обозначаемым δ+), а атом кислорода  несет частично отрицательный заряд (δ-). Молекула воды поляризована и является диполем (имеет два полюса) (рис. 6). 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.

 

Благодаря полярности молекул и  способности образовывать водородные связи вода легко растворяет ионные соединения (соли, кислоты, основания). Хорошо растворяются в воде и некоторые  неионные, но полярные соединения, т. е. в молекуле которых присутствуют заряженные (полярные) группы, например сахара, простые спирты, аминокислоты. Вещества, хорошо растворимые в воде, называются гидрофильными (от греч. hygros— влажный и philia — дружба, склонность). Когда вещество переходит в раствор, его молекулы или ионы могут двигаться более свободно и, следовательно, реакционная способность вещества возрастает.

Это объясняет, почему вода является основной средой, в которой протекает  большинство химических реакций, а  все реакции гидролиза и многочисленные окислительно-восстановительные реакции  идут при непосредственном участии  воды.

Вещества, плохо или вовсе нерастворимые  в воде, называются гидрофобными (от греч.phobos — страх). К ним относятся 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 неполярные вещества, для живых организмов также очень важен. К числу важных в физиологическом отношении свойств воды относится ее способность растворять газы (О2, С и др.).

Вода обладает высокой теплоемкостью, т. е. способностью поглощать тепловую энергию при минимальном повышении  собственной температуры. Большая  теплоемкость воды защищает ткани организма  от быстрого и сильного повышения  температуры. Многие организмы охлаждаются, испаряя воду (транспирация у растений, потоотделение у животных).

Вода обладает также высокой  теплопроводностью, обеспечивая равномерное  распределение тепла по всему  организму. Следовательно, высокая  удельная теплоемкость и высокая  теплопроводность делают воду идеальной  жидкостью для поддержания теплового  равновесия клетки и организма.

 

Вода практически не сжимается, создавая тургорное давление, определяя объем и упругость клеток и тканей. Так, именно гидростатический скелет поддерживает форму у круглых червей, медуз и других организмов.

 

Вода характеризуется оптимальным  для биологических систем значением  силы поверхностного натяжения, которое  возникает благодаря образованию  водородных связей между молекулами воды и молекулами других веществ.

 

 

Вода имеет показатель преломления n=1,33 в оптическом диапазоне. Однако она сильно поглощает инфракрасное излучение, и поэтому водяной  пар является основным естественным парниковым газом, отвечающим более  чем за 60 % парникового эффекта. Благодаря  большому дипольному моменту молекул, вода также поглощает микроволновое  излучение, на чём основан принцип  действия микроволновой печи.

При нормальном атмосферном давлении (760 мм рт. ст., 101 325 Па) вода переходит в твердое состояние при температуре в 0 °C и кипит (превращается в водяной пар) при температуре 100 °C (температура 0 °C и 100 °C были специально выбраны как температура таяния льда и кипения воды при создании температурной шкалы «по Цельсию» в системе СИ). При снижении давления температура таяния (плавления) льда медленно растёт, а температура кипения воды — падает. При давлении в 611,73 Па (около 0,006 атм) температура кипения и плавления совпадает и становится равной 0,01 °C. Такое давление и температура называются тройной точкой воды. При более низком давлении вода не может находиться в жидком состоянии, и лёд превращается непосредственно в пар. Температура возгонки (сублимации) льда падает со снижением давления. При высоком давлении существуют модификации льда с температурами плавления выше комнатной.

Вода является наиболее распространённым растворителем на планете Земля, во многом определяющим характер земной химии, как науки. Большая часть  химии, при её зарождении как науки, начиналась именно как химия водных растворов веществ. Её иногда рассматривают, как амфолит — и кислоту и основание одновременно (катион H+ анион OH−). В отсутствие посторонних веществ в воде одинакова концентрация гидроксид-ионов и ионов водорода (или ионов гидроксония), pKa ≈ 16.

Вода химически довольно активное вещество. Сильно полярные молекулы воды сольватируют ионы и молекулы, образуют гидраты и кристаллогидраты. Сольволиз, и в частности гидролиз, происходит в живой и неживой природе, и широко используется в химической промышленности. Вода играет уникальную роль как вещество, определяющее возможность существования и саму жизнь всех существ на Земле. Она выполняет роль универсального растворителя, в котором происходят основные биохимические процессы живых организмов. Уникальность воды состоит в том, что она достаточно хорошо растворяет как органические, так и неорганические вещества, обеспечивая высокую скорость протекания химических реакций и в то же время — достаточную сложность образующихся комплексных соединений.

Благодаря водородной связи, вода остаётся жидкой в широком диапазоне температур, причём именно в том, который широко представлен на планете Земля  в настоящее время.

Поскольку у льда плотность меньше, чем у жидкой воды, вода в водоемах замерзает сверху, а не снизу. Образовавшийся слой льда препятствует дальнейшему  промерзанию водоема, это позволяет  его обитателям выжить.

Природа водородных связей

Сама молекула Н2O 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 H2S, HCl, NH3 при обычных условиях являются газами.

 

Гидрофобные вещества не будут растворяться в воде, зато молекулы H2O 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:123

6H2O+6CO2=C6H12O6+ 6O2

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 (в  жидком состоянии), 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 (например, листьев).

Транспорт веществ

У растений, благодаря, в частности, капиллярному эффекту, характерному для  воды (ее молекулам свойственна когезия) 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 (вода является основным компонентом крови и лимфы, а  также играет важную роль в выделительной системе).

Участие в терморегуляции

 

Вследствие своей большой теплоемкости — 4200 Дж/(кг·К) — 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 (жидкость) в другое (газ).

До 80% массы клетки занимает вода.Она обеспечивает упругость клетки.Благодаря высокой полярности молекул,является растворителем других полярных соединений. Вода участвует в теплорегуляции, в хим.реакциях,протекающих в клетках в водных растворах. Она растворяет ненужные организму продукты обмена веществ и выводит их из организма.Вода способствует перемещению веществ внутри клетки или из клетки в клетку. Без воды жизнь невозможна.

как уменьшение воды в клетках влияет на жизнедеятельность организмов?

Серьезным показателем обезвоживания  является быстрое снижение веса. За несколько дней можно потерять до нескольких килограмм. Быстрая потеря веса, более 10% от общего веса, считается  тяжелой. Симптомы обезвоживания трудно отличить от симптомов других болезней, но, в целом, обезвоживание имеет  следующие признаки: повышение жажды, сухость во рту, слабость или легкое головокружение, мутная моча или сокращение мочеиспускания. Тяжелая дегидратация (обезвоживание) может привести к  изменениям в химическом балансе  организма, почечной недостаточности  и даже может быть опасной для  жизни.

никальные свойства позволили воде играть в клетке роль растворителя, терморегулятора, а также поддерживать структуру клеток и осуществлять транспортировку веществ.

Вода хорошо растворяет гидрофильные вещества, например, растворимые соли, белки, сахара. Молекулы воды окружают ионы или молекулы вещества, отделяя тем самым частицы друг от друга. Следовательно, в растворе молекулы (или ионы) смогут двигаться более свободно, значит, быстрее войти в химическую реакцию. Гидрофобные вещества не будут растворяться в воде, зато молекулы H2O смогут отделить гидрофобное вещество от самой толщи воды.

Вода в качестве реагента участвует  во многих химических реакциях:

В фотосинтезе, в гидролизе —  разрушении веществ с присоединением воды, а при гидролизе солей вода является источником протонов и электронов.

Вода практически не сжимаема (в  жидком состоянии), и поэтому служит гидростатическим скелетом клетки, обеспечивает упругость клеточной стенки и  поддержание формы органов (например, листьев).

Вода обеспечивает примерное постоянство  температуры внутри клетки. Она способна 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.

Высокое содержание воды в клетке - важнейшее условие ее деятельности. При потере большей части воды многие организмы гибнут, а ряд  одноклеточных и даже многоклеточных организмов временно утрачивает все  признаки жизни. Такое состояние  называется анабиозом . После увлажнения клетки пробуждаются и становятся вновь активными.