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. Н2О – 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 О2 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, О2 и СО2, 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.
Со школы все знают, какова роль воды в клетках и что человеческий организм не способен существовать без нее. При потере 3% влаги начинается жажда, а при 20% происходит отмирание тканей. Она необходима каждой частице организма. Взрослым и детям будет интересно узнать, в каких клетках человека содержится больше всего воды и что произойдет при дефиците.
Биологическая роль воды в клетке
Клетка содержит от 40 до 98% воды, необходимой для работы систем. С биологической точки зрения есть 2 основных функции воды в клетках: транспортная и метаболическая. Первый термин означает «доставку» необходимых организму веществ с помощью влаги и выведение продуктов жизнедеятельности. Вторым называют биологические процессы, например, фотосинтез и гидролиз макромолекул. Вода является донором для электронов при фотосинтезе, во время которого происходит фотолиз воды в клетках под названием хлоропласты. Вещество бывает в свободной и связанной формах:
- Свободная форма отвечает за транспортировку жидкости из внешней среды в ткани и наоборот. Она является растворителем, ведь поступление воды в растительные клетки происходит в процессе осмоса. Находится она практически во всех тканях организма: внутренних органах, сосудистой сетке, вакуолях, межклеточном пространстве.
- Связанная форма нужна для образования соединений с определенными белками. Такой жидкости может быть не более 4% от общей массы частицы. Обнаружить ее удастся между волокнами, мембранами и молекулами белка.
Жидкость необходима человеку намного сильнее, чем еда. Без пищи он проживет 3-3,5 недели, а без воды — всего 5-6 дней. Однако смерть в пустыне наступает уже через сутки. Значительную часть содержимого клеток составляет вода в свободной форме — до 95%.
Если говорить коротко о том, какова биологическая роль воды в клетках, то это обеспечение упругости и транспорта веществ, а также ускорение химических реакций. Жидкость запускает множество процессов в организме. Она растворяет вещества, которые поступают извне, а затем выводит их в отработанном виде. Помимо всего внутри происходят реакции, без участия влаги эти процессы иногда невозможны. Почему считается, что вода является идеальной жидкостью для клетки можно узнать, изучив ее функции:
- осуществление гидролиза белков, жиров и углеводов, что необходимо для высвобождения энергии;
- терморегуляция, ведь вещество обладает высоким показателем теплопроводности и теплоемкости;
- доставка веществ (транспорт), например, выведение продуктов жизнедеятельности в виде молекул жидкости;
- обеспечение нормальной работы клеточной структуры, поддержание ее структуры и давления внутри клетки.
Многих интересует какую долю в среднем составляет в клетках вода, но на этот вопрос трудно ответить. В составе большинства видов тканей она занимает первое место (исключением являются кости и зубная эмаль). Например, ее содержание в жировой ткани доходит до 99%, в мышцах — 65%, в костях — до 22%, а в крови — более 80%. Даже в зубной эмали есть жидкость, но всего около 0,2% влаги. Средним показателем считают 80%.
Снижение показателей даже на несколько процентов приводит к серьезным нарушениям, поэтому необходимость воды и ее роль в жизнедеятельности клеток — очевидна. Наиболее популярным считают недостаток влаги в крови, что в скором времени приведет к ее загустению. В результате возникает ломкость сосудов, образование тромбов и кровоизлияния во внутренние органы. Вода в клетке напрямую определяет физические свойства: чем влаги больше, тем выше будет ее упругость и объем.
Содержание воды зависит от возраста организма и скорости метаболизма. У эмбрионов оно до 90%, но на протяжении всей жизни снижается, что объясняет ухудшение здоровья в пожилом возрасте. Влага выступает в роли смазки, защищая поверхности от истирания (суставы и хрящи).
О роли воды в жизни клеток должен знать каждый, ведь жидкость необходима любому организма. Она обеспечивает работу всех тканей и систем, химических и биологических процессов.
Транспортная. Вода обеспечивает передвижение веществ в клетке и организме, поглощение веществ и выведение продуктов метаболизма.
Метаболическая. Вода является средой для многих биохимических реакций в клетке.
Структурная. Цитоплазма клеток содержит от 60 до 95% воды. У растений вода определяет тургор клеток.
Вода участвует в образовании смазывающих жидкостей и слизей. Она входит в состав слюны, желчи, слез и т.д.
Минеральные соли. Большая часть неорганических веществ клетки находится в виде солей. В водном растворе молекулы солей диссоциируют на катионы и анионы. Наибольшее значение имеют катионы: K + , Na + , Ca 2+ , Mg 2+ и анионы: Cl — , H2PO4 — , HPO4 2- , HCO3 — , NO3 — , SO4 2- . Существенным является не только содержание, но и соотношение ионов в клетке.
От концентрации солей внутри клетки зависят буферные свойства клетки. Буферностью называют способность клетки поддерживать слабощелочную реакцию своего содержимого на постоянном уровне.
Органические вещества, входящие в состав клетки.
Химические соединения, основой строения которых являются атомы углерода, составляют отличительный признак живого. Эти соединения называются органическими. Органические соединения чрезвычайно разнообразны, но только четыре класса имеют всеобщее биологическое значение: белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, липиды.
Белки. Это биополимеры, мономерами которых являются аминокислоты.
Аминокислоты представляют собой низкомолекулярные органические соединения, содержащие карбоксильную (-СООН) и аминную (-NН3) группы, которые связаны с одним и тем же атомом углерода. К атому углерода присоединяется боковая цепь – какой-либо радикал.
У большей части аминокислот имеется одна карбоксильная группа и одна аминогруппа, эти аминокислоты называют нейтральными. Существуют и основные аминокислоты – с более чем одной аминогруппой, а также кислые аминокислоты – с более чем одной карбоксильной группой.
Известно около 200 аминокислот, встречающихся в живых организмах, однако только 20 из них входят в состав белков.
В зависимости от радикала основные аминокислоты делят на 3 группы:
Неполярные (аланин, метионин, пролин, лейцин, изолейцин, триптофан, фенилаланин);
Полярные незаряженные (аспарагин, глутамин, серин, глицин, тирозин, треонин, цистеин);
Заряженные (аргинин, гистидин, лизин – положительно; аспарагиновая и глутаминовая кислоты — отрицательно).
Белки представляют собой полипептиды, в молекулу которых входит от 50 до нескольких тысяч аминокислот с молекулярной массой свыше 10000.
Каждому белку свойственна в определенной среде своя особая пространственная структура. При характеристике пространственной структуры выделяют четыре уровня организации молекул белков.
Первичная структура – последовательность аминокислот в полипептидной цепи. Первичная структура специфична для каждого белка и определяется генетической информацией, т.е. зависит от последовательности нуклеотидов в участке молекулы ДНК, кодирующем данный белок. От первичной структуры зависят свойства и функции белков. Замена одной единственной аминокислоты в составе молекул белка или изменение их расположения влечет за собой изменение функций белка.
В живых клетках молекулы белков или отдельные их участки представляют собой не вытянутую цепь, а скручены в спираль, напоминающую вытянутую пружину – α-спираль или сложены в складчатый слой – β-структура. Вторичная структура возникает в результате образования водородных связей между -СО- и -NН2-группами двух пептидных связей в одной полипептидной цепи (спиральная структура) или между двумя полипептидными цепями (складчатый слой).
У большинства белков спиральные и неспиральные участки полипептидной цепи складываются в трехмерное образование шаровидной формы – глобулу – третичная структура. Третичная структура стабилизируется ионными, водородными связями, ковалентными дисульфидными связями, которые образуются между атомами серы, а также гидрофобными взаимодействиями.
Многие белки, обладающие третичной структурой, могут выполнять свою биологическую роль в клетке. Однако для осуществления некоторых функций организма требуется участие белков с еще более высоким уровнем организации.
Такую организацию называют четвертичной структурой. Она представляет собой функциональное объединение нескольких молекул белка, обладающих третичной структурной организацией.
