Вода и ее роль в жизнедеятельности клетки
1. Какое строение имеет вода
?
2. Какое количество воды (в %) содержится в различных клетках?
3. Какова роль воды в живых организмах?
Роль воды в клетке.
Вода - одно из самых распространенных веществ на нашей планете. В клетке в количественном отношении она также занимает первое место среди других химических соединений. Чем выше интенсивность обмена веществ в той или иной клетке, тем больше в ней содержится воды.
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.
Свойства воды.
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 (рис. 7).
Вода является хорошим растворителем.
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. Благодаря силе поверхностного натяжения происходит капиллярный кровоток, восходящий и нисходящий токи растворов в растениях.
Гидрофильные и гидрофобные вещества.
1. В чем особенность строения молекулы воды?
2. Каково значение воды как растворителя?
3. Что такое теплопроводность и теплоемкость воды?
4. Почему считают, что вода является идеальной жидкостью для клетки?
5. Какова роль воды в клетке?
6. Какие структурные и физико-химические свойства воды определяют ее биологическую роль в клетке?
Образование кристаллов льда в клетках может приводить к их повреждению и гибели. Известно, что растворы разных веществ замерзают при более низкой температуре, чем чистая вода. Поэтому некоторые организмы накапливают в своих тканях вещества, предотвращающие замерзание и образование кристаллов льда. Так, лягушки способны оживать после вмерзания в лед. Это обеспечивается повышенным содержанием в их клетках глюкозы и некоторых других веществ.
Каменский А. А., Криксунов Е. В., Пасечник В. В. Биология 10 класс
Отправлено читателями с интернет-сайта
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.
Инструкция
Одно из свойств воды - универсальная способность растворять химические вещества, благодаря чему она сохраняет упругость биологической клетки, питает ее и участвует в построении мембраны. Все внутренние «соки» человека – кровь и лимфа; секреторная жидкость – слюна, желудочный сок; выделения из половых органов, моча, пот – это все растворы воды с особыми веществами.
Молекула воды имеет нейтральный электронный заряд, она состоит из соединения атомов кислорода и водорода. Электронный заряд внутри самой молекулы распределен весьма неравномерно: в области водорода преобладают атомы с положительным электронным зарядом, а в расположении кислорода - с отрицательным. Это диполь, а он, как известно, имеет хорошую способность объединяться в соединения с другими веществами и образовывать гидраты. Когда энергия притяжения воды к молекулам другого вещества выше, чем между молекулами воды, вещество в ней просто растворяется.
Концентрация воды в биологических жидкостях определяет быстроту взаимодействия веществ. Быстрее происходят внутренние процессы: выводятся продукты распада биохимических реакций, активизируются процессы восстановления и обновления организма. При растворении вещества его молекулы с помощью воды получают возможность двигаться быстрее, отчего реакционная способность его увеличивается. При снижении содержания воды в организме кровь становится «вязкой», медленнее движется по и сосудам, замедляется обмен веществ, общее состояние человека начинает быстро ухудшаться, начинает страдать мозг, который состоит на 85% из жидкости.
При обезвоживании организма первой страдает клеточная жидкость, она уменьшается до 66%, потом внеклеточная и только после сокращается количество жидкости в плазме крови. Природа устроила так, что обеспечение главного органа жизнедеятельности – головного мозга, ведется до последнего. Большая потеря жидкости у человека способна привести к необратимым последствиям, медицине известны случаи не только гибели людей от обезвоживания, но и наступления у них тяжелых недугов, в частности, от недостатка воды, а также от ее переизбытка развивалась шизофрения, больные быстро сходили с ума.
Благодаря теплоемкости воды, ее участие в регулировании температуры тела играет важную роль, осуществляются процессы теплорегуляции, поддерживается оптимальная для биологической активности температура клеток в организме. Ускоряется транспортировка питательных веществ и кислорода.
Вода также принимает участие в процессе пищеварения и выведения продуктов переработки организма. Именно она стимулирует к работе стенки кишечника, именно она растворяет продукты переработки, выводя их по мочетокам.
Любопытно, что вода, по сути, и важнейший защитный фактор для внутренних органов человека. К примеру, печень, почки, селезенка имеют весьма немалый удельный вес, при физической активности теоретически они должны просто оторваться, ведь проводящие каналы и удерживающие связки очень тонки. Уберегает их от этого жидкость, в которой они словно плавают. Жидкость гасит удары, создает биологическую среду, меняет их физический вес, приводя к минимальному (закон Архимеда в действии).
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.
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.
