Биологические функции воды. Химический состав клетки

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.

Вода играет важнейшую роль в жизни клеток и живых организмов в целом. Помимо того, что она входит в их состав, для многих организмов это еще и среда обитания. Роль воды в клетке определяется ее свойствами. Свойства эти довольно уникальны и связаны главным образом с малыми размерами молекул воды, с полярностью ее молекул и с их способностью, соединяться друг с другом водородными связями.

Молекулы воды имеют нелинейную пространственную структуру. Атомы в молекуле воды удерживаются посредством полярных ковалентных связей , которые связывают один атом кислорода с двумя атомами водорода. Полярность ковалентных связей (т.е. неравномерное распределение зарядов) объясняется в данном случае сильной электроотрицательностью атомов кислорода по отношению к атому водорода; атом кислорода оттягивает на себя электроны из общих электронных пар.

Вследствие этого на атоме кислорода возникает частично Отрицательный заряд, а на атомах водорода - частично положительный. Между атомами кислорода и водорода соседних молекул возникают водородные связи.

Благодаря образованию водородных связей молекулы воды им одна с другой, что и обусловливает ее исходное состояние при нормальных условиях.

Вода является превосходным растворителем для полярных веществ, например солей, сахаров, спиртов, кислот и др. Вещества хорошо растворимые в воде, называются гидрофильными .

Абсолютно неполярные вещества типа жиров или масел вода не растворяет и не смешивается с ними, поскольку она не может образовывать с ними водородные связи. Нерастворимые в воде вещества называютсягидрофобными .

Вода обладает высокой удельной теплоемкостью . Для разрыва водородных связей, удерживающих молекулы воды, требуется поглотить большое количество энергии. Это свойство обеспечивает поддержание теплового баланса организма при значительных перепадах температуры в окружающей среде. Кроме того, вода обладает высокой теплопроводностью , что позволяет организму поддерживать одинаковую температуру во всем его объеме.

Вода обладает также высокой теплотой парообразования , т.е. способностью молекул уносить с собой значительное количество тепла, охлаждая организм. Это свойство воды используется при потоотделении у млекопитающих, тепловой одышке у крокодилов и транспирации у растений, предотвращая их перегрев.

Для воды характерно исключительно высокое поверхностное натяжение . Это свойство имеет очень важное значение для адсорбционных процессов, для передвижения растворов по тканям (кровообращение, восходящий и нисходящий токи в теле растений). Многие мелкие организмы извлекают для себя пользу из поверхностного натяжения: оно позволяет им удерживаться на воде или скользить по ее поверхности.

Биологические функции воды

Транспортная . Вода обеспечивает передвижение веществ в клетке и организме, поглощение веществ и выведение продуктов метаболизма.

Метаболическая . Вода является средой для всех биохимических реакций в клетке. Ее молекулы участвуют во многих химических реакциях, например при образовании или гидролизе полимеров. В процессе фотосинтеза вода является донором электронов и источником атомов водорода. Она же является источником свободного кислорода.

Структурная . Цитоплазма клеток содержит от 60 до 95 % воды. У растений вода определяет тургор клеток, а у некоторых животных выполняет опорные функции, являясь гидростатическим скелетом (круглые и кольчатые черви, иглокожие).

Вода участвует в образовании смазывающих жидкостей (синовиальная в суставах позвоночных; плевральная в плевральной полости, перикардиальная в околосердечной сумке) и слизей (которые облегчают передвижение веществ по кишечнику, создают влажную среду на слизистых оболочках дыхательных путей). Она входит в состав слюны, желчи, слез, спермы и др.

Минеральные соли . Молекулы солей в водном растворе диссоциируют на катионы и анионы. Наибольшее значение имеют катионы: К + , Na + , Са 2+ , Mg 2+ и анионы: Cl — , H 2 PO 4 — , HPO 4 2- , HCO 3 — , NO 3 — , SO 4 2- . Существенным является не только содержание, но и соотношение ионов в клетке.

Разность между количеством катионов и анионов на поверхности и внутри клетки обеспечивает возникновение потенциала действия, что лежит в основе нервного и мышечного возбуждения. С разностью концентрации ионов по разные стороны мембраны связывают активный перенос веществ через мембрану, а также преобразование энергии.

Анионы фосфорной кислоты создают фосфатную буферную систему, поддерживающую pH внутриклеточной среды организма на уровне 6,9.

Угольная кислота и ее анионы создают бикарбонатную буферную систему, которая поддерживает рН внеклеточной среды (плазма крови) на уровне 7,4.

Некоторые ионы участвуют в активации ферментов, создании осмотического давления в клетке, в процессах мышечного сокращения, свертывании крови и др.

Некоторые катионы и анионы могут включаться в комплексы с различными веществами (например, анионы фосфорной кислоты входят в состав фосфолипидов, АТФ, нуклеотидов и др.; ион Fe 2+ входит в состав гемоглобина и т.д.).

Вода является универсальным растворителем для полярных молекул - солей, Сахаров, простых спиртов. Вода обладает уникальным свойством разрывать все виды молекулярных и межмолекулярных связей и образовывать растворы.

Раствор - жидкая молекулярно-дисперсная система, в которой молекулы и ионы растворенных веществ взаимодействуют друг с другом. Различают растворы элекгролитов, неэлектролитов, полимеров.

Жидкие среды организма представляют собой сложные растворы -полиэлектролиты. При растворении в воде происходит гидратация, а образующиеся при этом вещества называют гидратами. При этом разрываются межмолекулярные связи.

Растворы электролитов характеризуются электролитической диссоциацией растворенного вещества с образованием ионов. В жидких средах организма, согласно природе и механизмам гидратации, нет собственно солей, кислот и оснований, а есть их ионы.

Растворы биополимеров - белков, нуклеиновых кислот - являются полиэлектролитами и не проходят через большинство биологических мембран.

Неполярные вещества, например липиды, не смешиваются с водой.

Вода является растворителем многих веществ и переносит их кровью, лимфатической и экскреторной системами.

Жидкие среды организма - кровь, лимфа, цереброспинальная, тканевая жидкость, омывающие клеточные элементы и принимающие участие в процессе метаболизма, в совокупности образуют внутреннюю среду организма. Термин «внутренняя среда» или «внутреннееморе» был предложен французским физиологом К. Бернаром.

Биологические функции воды

Около 60% массы тела взрослого человека (у мужчин - 61%, у женщин- 54%) приходится на долю воды. У новорожденного ребенка содержание воды достигает 77%, в старческом возрасте снижается до 50%.

Вода входит в состав всех тканей человеческого тела: в крови ее около 81%, в мышцах - 75%, в костях - 20%. Вода связана в организме в основном с соединительной тканью.

Вода - универсальный растворитель неорганических и органических соединений. В жидкой среде происходит переваривание пищи и всасывание в кровь питательных веществ.

Вода является важнейшим фактором, обеспечивающим относительное постоянство внутренней среды организма. Благодаря высокой теплоемкости и теплопроводности вода участвует в терморегуляции, способствуя теплоотдаче (потоотделение, испарение, тепловая одышка, мочеотделение).

Вода - участник множества метаболических реакций, в частности гидролиза. Она стабилизирует структуру многих высокомолекулярных соединений, внутриклеточных образований, клеток, тканей и органов, обеспечивает опорные функции тканей и органов, сохраняя их тургор, форлиз и
положение (гидростатический скелет). Вода является носителем метаболитов. гормонов, электролитов, участвует в транспорте веществ через клеточные мембраны и сосудистую стенку в целом. С помощью воды из организма выводятся токсичные продукты метаболизма.

Источники воды и пути выведения из организма

В сутки взрослый человек употребляет в среднем 2,5 л воды. Из них 1,2 в виде питьевой, напитков и пр.; 1 литр с поступающей пищей; 0,3 литра образуется в организме в результате метаболизма белков, жиров и углеводов, так называемая метаболическая или эндогенная вода. Столько же воды выводиться из организма.

В полость пищеварительного тракта в сутки выделяется 1,5 л слюны, 3,5 л желудочного сока, 0,7 л сока поджелудочной железы, 3 л кишечных соков и около 0,5 л желчи.

Около 1-1,5 л выводится почками в виде мочи, 0,2-0,5 л - с потом через кожу, около 1 л - через кишечник с калом. Совокупность процессов поступления воды и солей в организм, распределения их во внутренних средаx и выведения называется водно-солевым обменом.

Виды воды в организме

В организме человека и животных различают три вида воды - свободную, связанную и конституционную.

Свободная, или мобильная вода, составляет основу внеклеточной, внутриклеточной и трансцеллюлярной жидкостей.

Связанная вода удерживается ионами в виде гидратной оболочки и гидрофильными коллоидами (белками) крови и белками тканей в виде воды набухания.

конституционная (внутримолекулярная) вода входит в состав молекул, белков, жиров и углеводов и освобождается при их окислении. Вода перемещается между различными отделами жидких сред организма вследствии сил гидростатического и осмотического давления.

Внутриклеточная и внеклеточная жидкости электронейтральны и осмотически равновесны.

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.

... (Philipp Niethammer) занималась поиском методов детектирования перекиси водорода в организма а о существовании её иммунной функции даже не догадывалась. Биологам давно известно, что перекись водорода - вещество, обладающее довольно сильной... функцию перекиси водорода на примере рыбок группа ученых намерена теперь переключиться на исследования подобных функций этого соединения в человеческом организме - несмотря на некоторое генетическое родство рыбки все же слишком далеки от человека биологически ...

https://www.сайт/journal/122320

... , вода является основной биологической жидкостью. Она не только инертная среда, она может также вступать в соединение с другими компонентами живой материи. Вода играет и терморегулирующую роль – поддерживает необходимую температуру тела. Она осуществляет это своей большой теплоёмкостью в случае снижения температуры и испарением с поверхности тела при его перегреве. Транспортная функция воды осуществляется...

https://www.сайт/journal/19228

Только для этого нужно обладать большой положительной энергетикой. Удивителен состав заряженной молитвой замороженной воды . Обычная вода замерзает, и молекулы складываются в хаотическом порядке. Заряженная вода имеет четкую структуру в виде различных звездочек и узоров. Воду ставили на ночь под колонки с классической музыкой. В итоге фиксировали разные узоры в зависимости от того, какая...

https://www.сайт/journal/11206

Организма. Мы уже говорили о том, что нам необходимо около 2-2,5 литров воды ежедневно. Часть воды возмещается из напитков, примерно 1,5 литра в день (вода , молоко, фруктовые соки, чай, кофе, суп и т.д.). Небольшую часть потери... кефира взбить в миксере. Все эти коктейли хороши с добавлением кубиков льда. И в заключение хочу сказать, что вода не только обеспечивает обмен веществ для поддержания их баланса, но и является уникальным очистителем нашего организма. Кроме продуктов питания...

https://www.сайт/journal/15103

Из плотного молочного тумана, стекал в долину ровный низкий гул водопада Йол-Ичта. Терпкий, умиротворяющий гомон ниспадающих вод обнимал долину, нежно сжимая в своих объятиях и убаюкивая в неспешных течениях низинной реки. ...Акта, улыбаясь, протянула... скалы. Запрокинув голову, закрыла глаза, пытаясь почувствовать дыхание влаги. Иногда ей и вправду удавалось услышать настороженный говор воды , но чаще – лишь ощущение спокойного отторжения, от которого ее била дрожь. Акта не огорчалась: она была...

https://www..html

После этого поместили в камеру анализатора. Это было необходимо для того, чтобы из него выветрилась часть замерзшей воды . "Марс преподносит нам сюрпризы. Один из сюрпризов заключается в том, как грунт ведет себя на открытом пространстве. ... верхнего слоя грунта). Однако ученые говорят, что наличие воды на Марсе вовсе не означает наличия жизни. Причина как в температуре, так и в возможном отсутствии в этой воде питательных углеродных элементов, необходимых для любой органической формы...