С много малко изключения (кости и зъбен емайл), водата е преобладаващият компонент на клетката. Водата е необходима за клетъчния метаболизъм (обмяна), тъй като физиологичните процеси протичат изключително във водна среда. Молекулите на водата участват в много ензимни реакции на клетката. Например, разграждането на протеини, въглехидрати и други вещества става в резултат на тяхното взаимодействие с вода, катализирано от ензими. Такива реакции се наричат реакции хидролиза.
Водата служи като източник на водородни йони по време на фотосинтезата. Водата в клетката е в две форми: свободна и свързана.
Свободна водапредставлява 95% от цялата вода в клетката и се използва главно като разтворител и като дисперсионна среда колоидна системапротоплазма.
Свързана вода, който представлява само 4% от общата вода в клетката, е хлабаво свързан с протеините чрез водородни връзки.
Полярността на водната молекула.Поради асиметричното разпределение на заряда водната молекула действа като диполи следователно може да бъде свързан както от положително, така и от отрицателно заредени протеинови групи. Диполното свойство на водната молекула обяснява нейната способност да се ориентира в електрическо поле и да се прикрепя към различни молекули и участъци от молекули, които носят заряд. В резултат на това се образуват хидрати.
Топлинен капацитет.Поради високия си топлинен капацитет, водата абсорбира топлината и по този начин предотвратява внезапните температурни колебания в клетката.
Транспортна функция на водата. вода- основното средство за движение на веществата в тялото (кръвоток, лимфа, възходящи и низходящи течения на разтвори през съдовете на растенията) и в клетката.
Водата е като лубрикант.Водата служи като „смазка“, необходима навсякъде, където има триещи се повърхности (например в ставите).
Водата има максимална плътност при 4°C. Следователно ледът, който има по-ниска плътност, е по-лек от водата и плува на повърхността й, което предпазва резервоара от замръзване. Това свойство на водата спасява живота на много водни организми.
Инструкции
Едно от свойствата на водата е нейната универсална способност да се разтваря химически вещества, поради което поддържа еластичността на биологичната клетка, подхранва я и участва в изграждането на мембраната. Всички вътрешни „сокове“ на човек са кръв и лимфа; секреторна течност - слюнка, стомашен сок; отделяне от гениталиите, урина, пот - това са всички разтвори на вода със специални вещества.
Водната молекула има неутрален електронен заряд; тя се състои от комбинация от кислородни и водородни атоми. Електронният заряд вътре в самата молекула е разпределен много неравномерно: атомите с положителен електронен заряд преобладават в областта на водорода, а атомите с отрицателен електронен заряд преобладават в областта на кислорода. Това е дипол и е известно, че има добра способност да се комбинира с други вещества и да образува хидрати. Когато енергията на привличане на водата към молекулите на друго вещество е по-висока, отколкото между водните молекули, веществото просто се разтваря в него.
Концентрацията на вода в биологичните течности определя скоростта на взаимодействие на веществата. Случва се по-бързо вътрешни процеси: продуктите на биоразграждане се отстраняват химична реакция, се активират процесите на възстановяване и обновяване на тялото. Когато веществото се разтвори, неговите молекули с помощта на вода могат да се движат по-бързо, поради което неговата реактивност се увеличава. Когато съдържанието на вода в тялото намалява, кръвта става „вискозна“, движи се по-бавно през съдовете, метаболизмът се забавя, общото състояние на човека започва бързо да се влошава и мозъкът, който се състои от 85% течност, започва да страда .
Когато тялото е дехидратирано, първо страда клетъчната течност, тя намалява до 66%, след това извънклетъчната течност и едва след това количеството течност в кръвната плазма намалява. Природата го е подредила по такъв начин, че поддържането на основния орган на живота - мозъка - се извършва до последно. Голяма загуба на течност при човек може да доведе до необратими последици; медицината познава случаи не само на смърт на хора от дехидратация, но и на възникване на сериозни заболявания, по-специално от липса на вода, както и от нейния излишък , шизофренията се разви, пациентите бързо полудяха.
Поради топлинния капацитет на водата, нейното участие в регулирането на телесната температура играе важна роля, осъществяват се процеси на терморегулация и температурата на клетките в тялото се поддържа оптимална за биологична активност. Ускорява се транспортирането на хранителни вещества и кислород.
Водата също участва в процеса на храносмилане и елиминиране на отпадъчните продукти от тялото. Тя е тази, която стимулира чревната стена да работи, тя е тази, която разтваря отпадъчните продукти, като ги отстранява през уретерите.
Любопитно е, че водата всъщност е най-важният защитен фактор за вътрешни органичовек. Например, черният дроб, бъбреците и далака имат много значително специфично тегло; теоретично, по време на физическа активност те просто трябва да се отделят, тъй като проводящите канали и задържащите връзки са много тънки. От това ги предпазва течността, в която сякаш плуват. Течността поема ударите, създава биологична среда, променя физическото им тегло, което води до минимум (законът на Архимед в действие).
Водата (H 2 O) е най-важната неорганично веществоклетки. В клетката в количествено отношение водата е на първо място сред останалите. химични съединения. Водата изпълнява различни функции: поддържа обема, еластичността на клетката, участва във всички химични реакции. Всички биохимични реакции протичат във водни разтвори. Колкото по-висока е скоростта на метаболизма в дадена клетка, толкова повече вода съдържа тя.
Обърни внимание!
Водата в клетката е в две форми: свободна и свързана.
Безплатна водаразположени в междуклетъчните пространства, съдовете, вакуолите и органните кухини. Служи за транспортиране на вещества от заобикаляща средав клетката и обратно.
Свързана водае част от някои клетъчни структури, намира се между протеинови молекули, мембрани, влакна и е свързан с някои протеини.
Водата има редица свойства, които са изключително важни за живите организми.
Структура на водната молекула
Уникалните свойства на водата се определят от структурата на нейната молекула.
Между отделните водни молекули се образуват водородни връзки, които определят физическите и Химични свойствавода.
Характерното разположение на електроните във водната молекула й придава електрическа асиметрия. По-електроотрицателният кислороден атом привлича по-силно електроните на водородните атоми, което води до водна молекула дипол(има полярност). Всеки от двата водородни атома има частично положителен заряд, а кислородният атом носи частично отрицателен заряд.
Частично отрицателният заряд на кислородния атом на една водна молекула се привлича от частично положителните водородни атоми на други молекули. Така всяка водна молекула има тенденция да се свързва водородна връзкас четири съседни водни молекули.
Свойства на водата
Тъй като водните молекули са полярни, водата има свойството да разтваря полярните молекули на други вещества.
Веществата, които са разтворими във вода, се наричат хидрофилен(соли, захари, прости алкохоли, аминокиселини, неорганични киселини). Когато дадено вещество премине в разтвор, неговите молекули или йони могат да се движат по-свободно и следователно реактивоспособността на веществото се увеличава.
Веществата, които са неразтворими във вода, се наричат хидрофобен(мазнини, нуклеинова киселина, някои протеини). Такива вещества могат да образуват интерфейси с вода, при които протичат много химични реакции. Следователно фактът, че водата не разтваря някои вещества, също е много важен за живите организми.
Водата има висока специфичност топлинен капацитет, т.е. способността да абсорбира топлинна енергия с минимално повишаване на собствената си температура. За да се прекъснат многобройните водородни връзки между водните молекули, е необходимо да се абсорбира голям бройенергия. Това свойство на водата осигурява поддържането топлинен балансв организма. Големият топлинен капацитет на водата предпазва телесните тъкани от бързо и силно повишаване на температурата.
За да се изпари водата, е необходима доста енергия. Използването на значително количество енергия за разкъсване на водородни връзки по време на изпаряване помага за охлаждането му. Това свойство на водата предпазва тялото от прегряване.
Пример:
Примери за това включват транспирация при растенията и изпотяване при животни.
Водата има и висока топлопроводимост, осигуряваща равномерно разпределение на топлината в тялото.
Обърни внимание!
Висок специфичен топлинен капацитет и висока топлопроводимостправи водата идеална течност за поддържане топлинно равновесиеклетки и организъм.
вода практически не се свива, създаващи тургорно налягане, определящи обема и еластичността на клетките и тъканите.
Пример:
Хидростатичният скелет поддържа формата си кръгли червеи, медузи и други организми.
Благодарение на адхезионните сили на молекулите, върху повърхността на водата се създава филм, който има такава характеристика като повърхностно напрежение.
Пример:
Благодарение на силата повърхностно напрежениеВ растенията има капилярен кръвен поток, възходящи и низходящи течения на разтвори.
Сред физиологично важните свойства на водата е нейното способност за разтваряне на газове(O 2, CO 2 и т.н.).
Водата също е източник на кислород и водород, отделяни по време на фотолизата светлинна фазафотосинтеза.
Биологични функции на водата
- Водата осигурява движението на веществата в клетката и тялото, усвояването на веществата и отстраняването на метаболитните продукти. В природата водата пренася отпадъчни продукти в почвите и водните тела.
- Водата е активен участник в метаболитните реакции.
- Водата участва в образуването на смазочни течности и слуз, секрети и сокове в тялото (тези течности се намират в ставите на гръбначните животни, в плевралната кухина, в перикардната торбичка).
- Водата е част от слузта, която улеснява движението на веществата през червата и създава влажна среда върху лигавиците на дихателните пътища. Секретите, отделяни от някои жлези и органи, също са на водна основа: слюнка, сълзи, жлъчка, сперма и др.
Буквално от детството всеки човек знае, че водата играе много важна роля за нас. Хигиена, почистване, пиене - всеки от тези неразделни елементи на живота е свързан с водата. Постепенно опознавайки света, детето научава за ролята на водата в клетката. Може би едва от този момент става ясно колко голямо е нейното значение: самият живот е немислим без вода. Благодарение на своите свойства, той прави възможно функционирането на сложни организми.
Структура на молекулата
Ролята на водата в живота на клетката е пряко свързана с характеристиките на нейната структура. Всеки знае формулата на основната течност на нашето тяло. Всеки се състои от един кислороден атом и два водородни атома. Те се комбинират в едно цяло поради полярността, основана на образуването на обща електронна двойка между два атома. Характерна особеност на водните молекули е тяхната електрическа асиметрия. Кислородният атом е по-електроотрицателен и привлича по-силно електрони от водородни атоми. Последствието от това е изместване на общи двойки електрони към кислородния атом.
Дипол
Ролята на водата в клетката зависи от характеристиките, присъщи на това вещество. В резултат на изместването на обща двойка електрони тя се поляризира. Водната молекула се характеризира с наличието на два полюса: всеки водороден атом има частично положителен заряд, а всеки кислороден атом има частично отрицателен заряд. Заедно те създават неутрална молекула.
Така всяка структурна единица на водата е дипол. Структурните особености на молекулата определят и характера на връзката между съседните структури. Частично отрицателният кислороден атом се привлича от водородните атоми на други молекули. Между тях се образуват така наречените водородни връзки. Всяка водна молекула се стреми да комуникира по подобен начин с четирите си съседа. Всички тези структурни нюанси определят биологичната роля на водата в клетката.
Особености
Водородните връзки, характерни за водните молекули, определят много от нейните свойства. Връзките между кислородните и водородните атоми са особено силни, което означава, че разрушаването им изисква впечатляващо количество енергия. В резултат на това водата има висока точка на кипене, както и топене и изпаряване. Сред подобни вещества, водата е единственото вещество, присъстващо на Земята едновременно в три агрегатни състояния. Ролята на водата в клетката също се основава на тази характеристика.
Взаимодействие с хидрофилни вещества
Присъщата способност на водните частици да образуват водородни връзки позволява на основната телесна течност да разтваря много съединения. Такива вещества се наричат хидрофилни, тоест „приятелски“ към водата. Те включват йонни съединения: соли, основи и киселини. Хидрофилните вещества също включват нейонни съединения, които имат полярност. Молекулите им съдържат заредени групи. Това са аминокиселини, захари, прости алкохоли и някои други съединения.
Ролята на водата в живота на клетката се свежда до създаването на необходимата среда за ускоряване на всички реакции. Разтворът е състояние на вещество, при което всички негови молекули могат да се движат много по-свободно, тоест способността за реакция става много по-висока, отколкото в обичайната им форма.
Благодарение на тези свойства водата се е превърнала в основна среда за по-голямата част от химичните реакции. Освен това, например, хидролизата и целият набор от редокс процеси се извършват само с прякото участие на основната клетъчна течност.
реагент
Огромната роля на водата в живота на клетката е неоспорима. Тя участва във всичко важни процеси. Например водата е необходима за фотосинтезата. Един от неговите етапи, фотолизата на водата, включва отделянето на водородните атоми и включването им в получения органични съединения. В този случай освободеният кислород се освобождава в атмосферата.
Хората и животните са свързани с вече споменатата хидролиза, разрушаването на вещества с добавяне на вода. Една от най-важните реакции от този вид в клетката е разграждането на АТФ молекулата, което се случва с освобождаване на енергия, която се използва за други жизненоважни процеси.
Взаимодействие с хидрофобни вещества
Някои протеини, както и мазнините и нуклеиновите киселини изобщо не се разтварят във вода или този процес е много труден. Такива вещества се наричат хидрофобни, тоест „страхуващи се“ от вода. Ролята на водата в клетката и тялото също е свързана с нейното взаимодействие с подобни съединения.
Молекулите на водата могат да се отделят от самата течност. В резултат на това се образуват така наречените интерфейси. Върху тях протичат много химични реакции. По този начин, благодарение на взаимодействието на фосфолипидите, които изграждат клетъчната мембрана, с водата се образува липиден двоен слой.
Топлинен капацитет
В клетката се крие нейното участие в терморегулацията. доста високо. Това означава, че когато се абсорбира внушително количество, температурата на водата се променя съвсем леко. Тази характеристика спомага за поддържането на постоянна температура вътре в клетката, което е необходимо за нормалното протичане на много процеси и поддържането на постоянна вътрешна среда.
Равномерно разпределение на топлината
Друга характерна черта на водата е топлопроводимостта. Освен това помага за поддържане на постоянна вътрешна среда. Водата е способна да пренася впечатляващо количество топлина от област на тялото, където е в излишък, към онези клетки и тъкани, на които липсва.
В допълнение, терморегулацията се извършва и поради факта, че по време на прехода от едно състояние на агрегация към друго трябва да се разрушат водородните връзки. А това, както вече споменахме, изисква големи количества енергия.
Хидростатичен скелет
Ролята на водата в живота на клетката не свършва дотук. Основната телесна течност има друго свойство: тя практически не се компресира. Тази характеристика позволява на водата да играе ролята на хидростатичен скелет в клетката. Водата създава тургорно налягане, като по този начин определя такива свойства на клетките и тъканите като обем и еластичност. Лесно е да разберете ролята на водата в клетката в този смисъл, ако погледнете дърветата. Обичайната форма на листа се създава поради повишено налягане в клетките. Подобни примери в органичен святтегло. Например, познатата форма на медузите или кръглите червеи също се поддържа от хидростатичен скелет.
Загубата на вода от клетките, съответно, води до обратни процеси. Започва промяна във формата: листата изсъхват, плодовете се набръчкват, кожата губи своята еластичност.
Участие в транспортирането на вещества
Използвайки водородни връзки, водните молекули могат да се свързват не само една с друга, но и с други вещества. В резултат на това взаимодействие се появява вещество, което играе съществена роля в транспорта на вещества в тялото. По този начин следствие от кохезията (адхезията на молекулите под въздействието и, в случая на водата, чрез водородни връзки) е движението на хранителни вещества в капилярите на растенията. Благодарение на същото това свойство водата преминава от почвата през кореновите власинки в растението.
Освен това силата на повърхностното напрежение прави капилярния кръвен поток възможен при животни и хора. Водата участва в движението на веществата и отстраняването на разпадните продукти от тялото.
Оказва се, че отговорът на въпроса "каква е ролята на водата в клетката?" съвсем недвусмислено - огромен е. Благодарение на основните свойства молекулярна структураТази течност позволява всички основни процеси, без които животът е немислим. Водата спомага за повишаване на реактивността на веществата, поддържа формата на клетките и органите, участва в осигуряването им на всичко необходимо и е част от много химични реакции. Водата е източникът на живот и това определено не е метафора. Всички основни метаболитни процеси са свързани с него, а също така е в основата на взаимодействието на различни съединения.
Именно поради тези свойства водата е веществото, което се търси първо при изследване на други планети в опит да се разбере дали са подходящи за живот.
Уникалните свойства позволиха на водата да играе ролята на разтворител и термостат в клетката, както и да поддържа структурата на клетките и транспортните вещества.
Природа на водородните връзки
Самата молекула H 2 O е електрически неутрална, но зарядът вътре в молекулата е разпределен неравномерно: в областта на водородните атоми има малък положителен заряд, а в областта, където се намира кислородният атом, има малък отрицателен заряд . Благодарение на това водните молекули могат да взаимодействат помежду си, за да образуват така наречените водородни връзки.
Водородни връзки
Водородното свързване определя уникалните свойства на водата:
Водата има много високи температури на кипене, топене и изпаряване, тъй като трябва да се изразходва допълнителна енергия, за да се разрушат водородните връзки. Само водата е във всичките три агрегатни състояния едновременно. Други вещества с подобна структура и молекулно тегло, като H 2 S, HCl, NH 3 са газове при нормални условия.
Реакция]].
Хидрофобните вещества няма да се разтварят във вода, но молекулите на H 2 O ще могат да отделят хидрофобното вещество от самия воден стълб. Например мазнините - фосфолипидите, които изграждат клетъчната мембрана, могат да образуват липиден двоен слой поради взаимодействие с вода.
Участие в химични реакции
Водата като реагент участва в много химични реакции:
- При фотосинтезата в растенията протича фотолиза на водата - постъпва водород от водата органична материяи в атмосферата се отделя свободен кислород.
Уравнение на фотосинтезата:
6H 2 O+6CO 2 =C 6 H 12 O 6 + 6O 2
- Водата участва в хидролизата разрушаването на веществата с добавяне на вода. Например, хидролизата на мазнини, протеини и въглехидрати се случва по време на смилането на храната, а хидролизата на АТФ освобождава енергия, която отговаря на нуждите на клетката.
- По време на хидролизата на солите водата е източник на протони и електрони.
Поддържане на клетъчната структура
Водата е практически несвиваема и затова служи като хидростатичен скелет на клетката. Благодарение на осмозата водата създава свръхналягане във вакуолите на растителните клетки; това тургорно налягане осигурява еластичността на клетъчната стена и поддържа формата на органите.
Транспорт на вещества
- При растенията, благодарение по-специално на капилярния ефект, характерен за водата, минералните соли, разтворени във вода, се издигат от корена до други части на растението през съдовете. Освен това, поради кохезията, водата в почвата е достъпна за абсорбиране през кореновите власинки.
- Транспортирането на фотосинтетични продукти става чрез движение през ситовидни тръби воден разтворзахароза.
- Екскреция, движение на метаболитни продукти в разтворена форма при животни.
Участие в терморегулацията
Поради големия си топлинен капацитет 4200 J/ , водата осигурява приблизително постоянна температура вътре в клетката. Водата може да носи голямо количество топлина, като я отдава там, където температурата на тъканите е по-ниска, и я отнема там, където температурата е по-висока. Също така, когато водата се изпарява, се получава значително охлаждане поради факта, че много енергия се изразходва за разрушаване на водородни връзки по време на прехода от едно състояние на агрегиране към друго.
