Какие особенности строения и свойств воды определяют ее функции в клетке

Роль воды в клетке для живого организма незаменима.

Она составляет около 70 процентов от ее массы. Остальные 30 процентов занимают органические и неорганические вещества. Недостаток жидкости приводит к истощению или гибели организма.

В данной статье мы узнаем, какие важные функции вода выполняет в клетках.

Какую роль выполняет в клетке вода

Все живые организмы состоят из клеток: человек, растения, животных, бактерии и т.д. Клетка – это наименьшая единица строения живого организма.

Они различаются, но имеют общие признаки.

В состав всех клеток входят органические и неорганические вещества. Самое распространенное неорганическое вещество – вода.

Рассмотрим кратко её основные функции.

1. Растворитель. Вода выполняет в клетке функцию растворителя, большинство химических реакций протекают только в водной среде.
2. Транспортная функция. Помогает переносить питательные вещества из одной части в другую.
3. Функция регенерации. С помощью воды удаляются ненужные продукты жизнедеятельности.
4. Вода как реагент. Она участвует во многих химических реакциях: полимеризации, гидролиза, в процессе фотосинтеза.
5. Терморегуляторная. Поглощает большое количество тепловой энергии при минимальном повышении собственной температуры. Таким образом, защищает организм от перегрева и обеспечивает равномерное распределение тепла по всему организму.
6. Придает форму и упругость клетке. Вода практически не сжимается (в жидком состоянии) и служит гидростатическим скелетом. В составе клетке вода занимает 1 место среди всех химических соединений, определяет объем и упругость.

Химическая роль

Вода в качестве реагента участвует во многих химических реакциях:

1. фотосинтеза растений;
2. гидролизе – разрушении веществ с присоединением воды.

Химический состав клетки

Рассмотрим полный состав на рисунке № 2.

Органические вещества

1. Белки – сложные органические соединения. В одном организме может быть несколько тысяч разных видов. Самый известный белок — гемоглобин. Он осуществляет поступление кислорода ко всем клеткам. Благодаря белку Интерферону, организм человека борется с вирусными заболеваниями.
2. Углеводы необходимы, как источник энергии. К ним можно отнести: глюкозы, сахарозу и д. р.
3. Жиры являются запасным источником энергии и воды. Особенно они важны для животных, впадающих в спячку.
4. Нуклеиновые кислоты – высокомолекулярные соединения. Присутствуют во всех живых организмах. Передают наследственную информацию. Они хорошо растворимы в воде, практически нерастворимы в органических растворителях.

Неорганические вещества

1. Вода занимает 70 процентов. Она является непосредственным участником роста, размножения, питания, выделения, передвижения веществ в клетке и организме.
2. Минеральные соли, растворены в воде. Составляют от 1-1,5 процентов. В растворенном виде они образуют необходимую среду для химических процессов.
3. Углекислый газ.
4. Кислоты и основания.

Как образуются органические и неорганические вещества

В природе большое разнообразие клеток. Они могут отличаться размерами, функциям, формой. Могут быть свободноживущими или входить в состав многоклеточного организма. При всем многообразии они состоят из одних и тех же типов химических веществ.

Живую клетку отличают 2 особенности:

1. высокое содержание воды;
2. большое количество сложных органических веществ.

По подсчетам ученых в ней можно встретить около 70 химических элементов, правда, только 24 встречаются постоянно. Рассмотрим рисунок № 3.

По количеству элементы, содержащиеся в клетках, делят на 3 группы.

1. Макроэлементы. Встречаются в большом количестве. К ним относят: Кислород, Углерод, Водород, Азот, Серу, Железо, Фосфор, Кальций и т.д.
2. Микроэлементы. Встречаются в небольшом количестве такие элементы, как: Марганец, Медь, Кобальт, Цинк и т.д. Несмотря на малое содержание, они выполняют большую роль в обмене веществ.
3. Ультрамикроэлементы. Составляют менее 0, 000001 % в организме живых существ. К ним относятся: Золото, Серебро, Платина, Цезий, Селен и т. д.

Процентное содержание элементов не характеризует их важность в организме.

Многие элементы входят в состав биологически важных веществ, ферментов, витаминов. Например, Кобальт входит в состав Витамина В 12.

Эти 70 элементов могут входить в состав клетки. Они образуют 1000 химических веществ, которые можно разделить на неорганические и органические вещества.

Вода в органах и тканях

Всем живым существам необходима вода. Тело человека состоит из воды на 60-80 процентов. Она необходима каждому органу: коже, головному мозгу, желудку, сердцу, зубной эмали, ногтям и т.д.

При недостатке жидкости происходит обезвоживание организма. В клетке человека в разных органах и тканях содержится разное количество воды.

Для наглядности представлен рисунок № 4.

Например, у новорожденного — 80 процентов жидкости, у пожилого человека — 60 процентов.

Функции свободной воды в бактериальных клетках

Вода в клетках живых организмах бывает двух видов.

1. Свободная, входит в состав цитоплазмы, заполняет межклеточные пространства, заполняет сосуды, пространства между органами. Она нужна для транспортировки веществ и для поддержания процессов жизнедеятельности
2. Связанная, входит в состав клеточных структур (например, белков, мембран).

Основных различием бактериальной клетки является отсутствие ядра. Вместо него в центральной части находится ядерное вещество, которое выполняет такие же функции. Рассмотрим рисунок № 5.

Свободная вода в ее составе выполняет функции:

1. растворителя;
2. транспортировки;
3. обеспечивает процессы метаболизма;
4. способствует размножению.

Существуют организмы, не имеющие клеточного строения. К ним относят вирусы.

Заключение

В жизнедеятельности клетки вода выполняет ключевую роль. Её содержание не редко достигает 70-80 процентов. Вода необходима для каждого процесса в живом организме и содержится в каждом органе. Вода – источник жизни, ее биологическая роль бесценна для живого организма.

Вода – неорганическое вещество, молекулы которого состоят из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Количество воды неодинакова в разных организмах. Больше всего воды содержит тело медуз (95-98%), водоросли (более 80%), меньше всего ее у насекомых (40-50%), слоевища лишайников (5-7%). В теле млекопитающих в среднем 75% воды, в том числе у человека – 60-65% массы тела. Количество воды неодинакова и в различных тканях и органах одного и того же организма. Например, у человека содержание воды в тканях и органах таков: кровь (83,0%), почки (82,7%), сердце (79,2%), легкие (79,0%), мышцы (75 6%), мозг (74,8%), кожа (72,0%), скелет (22,0%), жировая ткань (10,0%).

Большая часть воды (70% объема) находится в клетках тела в свободном и связанном виде, меньшая часть (30% объема) – перемещается во внеклеточном пространстве организма и находится в свободном состоянии. Связанная вода (4 5%) бывает осмотически связанной (вода в связях с ионами и низкомолекулярными соединениями), коллоидно связанной (вода в связях как с внутренними, так и с расположенными на поверхности химическими группами высокомолекулярных соединений) и структурно свя связанной (вода в замкнутом пространстве высокомолекулярных биополимеров сложной структуры). Свободная вода (95-96%) является универсальным растворителем.

Значение воды . Количественно вода занимает первое место среди химических соединений любой которой клетки. Наличие воды является обязательным условием жизнедеятельности организмов. Какие же функции выполняет в биосистемах эта самая распространенная на Земле вещество?

• Вода – универсальный растворитель для ионных и многих ковалентных соединений, обеспечивает протекание химических реакций, транспорт веществ в клетку и из клетки.

• Вода – реагент, при участии которого в клетках происходят реакции гидролиза и гидратации, окислительно-восстановительные и кислотно-основные реакции.

• Вода – теплорегулятор, поддерживает оптимальный тепловой режим организмов и обеспечивает равномерное распределение тепла в живых системах.

• Вода – осморегулятора, что обеспечивает форму клеток, транспорт неорганических веществ.

• Вода – опора, обеспечивает упругий состояние клеток (тургор), выступает амортизатором от механических воздействий на организм, выполняет функцию гидроскелет у многих животных.

• Вода – средство транспорта, осуществляет связь в клетках, между клетками, тканями, органами и обеспечивает гомеостаз и функционирование организма как единого целого.

• Вода – среда обитания для водных организмов, в нем осуществляются пассивное движение, внешнее оплодотворение, распространение семян, гамет и личиночных стадий наземных организмов.

• Вода – конформатор, имеет большое значение в организации пространственной структуры (конформации) биополимеров.

Свойства воды. Роль воды в биосистемах определяется ее физико-химическими свойствами.

■ Для чистой воды характерны прозрачность, отсутствие вкуса, цвета, запаха. Природная вода всегда содержит различные примеси: растворенные вещества в виде ионов, нерастворенные вещества – в виде суспензии. Вода – единственное вещество на Земле, которая одновременно и в большом количестве встречается в жидком, твердом и газообразном состояниях.

■ Плотность воды при температуре 4 ° С является максимальной и составляет 1 г / см3. С понижением температуры плотность уменьшается, поэтому лед плавает на поверхности воды.

■ Вода имеет аномально высокие удельную теплоемкость (4,17 Дж / ГК), теплоту испарения (при температуре 100 ° С – 2253 Дж / г), теплоту таяния (при температуре 0 ° С – 333,98 Дж / г).

■ Воде свойственный исключительно большое поверхностное натяжение за счет мощных сил сцепления (когезии), связанных с образованием водородных связей между молекулами.

■ Для воды характерное свойство прилипания (адгезии), которая проявляется в случае поднятия ее против гравитационных сил.

■ Воде в жидком состоянии свойственна текучись, нестискуванисть, чем обусловлены явления осмоса и тургора.

■ Вода обладает амфотерными свойствами, то есть проявляет свойства как кислоты так и основы и участвует в кислотно-основных реакциях.

■ Вода способна выступать и как восстановитель, и как окислитель, осуществляя биологически важные окислительно-восстановительные реакции обмена веществ.

■ Молекулы воды полярны, благодаря чему участвуют в реакциях гидратации, обеспечивая растворения многих химических соединений.

■ Вода участвует в биологически важных реакциях разложения – реакциях гидролиза.

■ Молекулы воды способны диссоциировать на ионы: Н2О = Н + + ОН.

Особенности строения молекул воды. Уникальные свойства воды определяются структурой ее молекул.

В молекуле воды каждый атом водорода содержится у атома кислорода ковалентной связью, энергия которого почти 110 ккал / моль. Благодаря этому вода является очень стойкой химическим соединением. Водяной пар начинает разлагаться на О, и Н, при температуре, выше 1000 ° С.

В молекуле воды две пары электронов из четырех образованные ковалентной связью и смещены к одной из сторон молекулы с формированием двух положительно заряженных полюсов. А две другие пары остаются неразделенными и смещены относительно ядра атома кислорода к противоположной стороне, где образуют два отрицательно заряженные полюса.

Итак, молекулы воды являются полярными.

Благодаря полярности соседние молекулы воды могут взаимодействовать между собой и с молекулами полярных веществ с образованием водородных связей, обуславливающих уникальные физические свойства и биологические функции воды. Энергия этой связи, по сравнению с энергией ковалентной связи, невелика. Она составляет всего 4,5 ккал / моль, и благодаря тепловому движению эти связи между молекулами воды постоянно возникают и разрываются. Водородные связи – это связи между двумя ковалентно связанными атомами с большим значением электроотрицательности ( О, N , F ) посредством атома водорода Н. Обычно водородная связь обозначают тремя точками и этим отмечают , что он намного слабее ; чем ковалентная связь ( примерно в 15-20 раз ).

Водородные связи играют определяющую роль в образовании специфической квази и кристаллической структуры воды. Согласно современным представлениям, основой строения воды является кристаллическая решетка с размытой тепловым движением частью молекул свободной воды. Для воды в твердом состоянии характерные молекулярные кристаллические решетки, поскольку кристаллы строятся из молекул, связанных друг с другом водородными связями. Именно наличием элементов кристаллической решетки, а также дипольнистю молекул воды и обусловлено очень большое значение относительной диэлектрической проницаемости воды.

Молекулы жидкой воды способны к полимеризации или ассоциации с образованием ассоциатов (Н2О) n. Образование плотных ассоциатов происходит +4 С, чем и объясняется большое плотность воды при этой температуре. При нагревании водородные связи разрушаются и ассоциаты начинают расщепляться, поскольку энергия теплового движения становится больше от энергии этих связей. Разрыва связей требует много энергии, откуда и высокие температура кипения и удельная теплоемкость воды. Это имеет существенное значение для организмов во время колебаний температуры среды обитания.

Рентгеноструктурный анализ воды установлено, что и в жидкой воде остаются фрагменты структуры льда. При температуре 20 ° С около 70% молекул находится в воде в виде агрегатов, содержащих в среднем по 57 молекул в каждом. Такие агрегаты называют кластерами. Молекулы воды, входящих в состав кластера, скованные и метаболически инертные. Активная роль в реакциях обмена веществ принадлежит только свободным молекулам воды. Если кластеров много, то это приводит к иммобилизации воды, то есть к исключению свободной воды, ограничения ферментативных процессов и к снижению функциональной активности клетки.

БИОЛОГИЯ + При диссоциации определенных электролитов, в том числе и воды, образуются ионы Н + и ОН – , от концентрации которых зависит кислотность или основность растворов и, соответственно, структурные особенности и активность многих биомолекул и жизненных процессов. Эту концентрацию измеряют с использованием водородного показателя – рН . pH – отрицательный десятинный логарифм концентрации

Образование водородной связи

молекула воды

ионов Н + . В чистой воде эта концентрация составляет 1-10 -7 моль / л ( -log 10 -7 = 7 ) . Поэтому нейтральной реакции воды соответствует pH 7, кислой-pH <7 и основной -pH> 7. Протяженность шкалы pH – от 0 до 14. Значение pH в клетках слабощелочная. Изменение его на одну-две единицы губительна для клетки. Постоянство pH в клетках поддерживается за счет буферных систем, которые содержат смесь электролитов. Они состоят из слабой кислоты ( донора Н +) и сопряженной с ней основы ( акцептора Н +) , которые в соответствии связывают ионы H + и боны ОН – , благодаря чему реакция pH внутри клетки почти не меняется.

Гидрофильные и гидрофобные соединения. В молекул воды две пары совместных электронов смещены к кислорода, поэтому электрический заряд внутри молекул распределен неравномерно: протоны Н + обусловливают положительный заряд на одном полюсе, а пары электронов кислорода – отрицательный заряд на противоположном полюсе. Эти заряды равны по величине и расположены на определенном расстоянии друг от друга. Итак, молекула воды – это постоянный диполь, который может взаимодействовать с носителями положительных и отрицательных зарядов. Наличием полюсов в молекулах воды объясняется способность воды к химическим реакциям гидратации.

Благодаря своей полярности молекулы воды могут присоединяться к молекулам или ионов растворимых в воде веществ с образованием гидратов (соединений воды с растворенным веществом). Эти реакции являются экзотермическими и, в отличие от реакций гидролиза, гидратация не сопровождается образованием водородных или гидроксильных ионов.

При взаимодействии молекул воды с молекулами полярных веществ притяжения молекул воды к розчинюванои вещества превышать энергию притяжения между молекулами воды. Поэтому молекулы или ионы таких соединений встраиваются в общую систему водородных связей воды. Гидрофильные вещества – это полярные вещества, которые способны хорошо растворяться в воде. Это растворимые кристаллические соли, моносахариды, определенные аминокислоты, нулеинови кислоты и др.

В случае взаимодействия молекул воды с молекулами неполярных веществ энергия притяжения молекул воды в них будет меньше, чем энергия водородных связей. Неполярные молекулы пытаются изолироваться от молекул воды, они группируются между собой и вытесняются из водного раствора. Гидрофобные вещества – это неполярные вещества, которые не растворяются в воде. Это нерастворимые минеральные соли, липиды, полисахариды, определенные белки и др. Некоторые органические молекулы имеют двойные свойства: на одних их участках сосредоточены полярные группы, на других – неполярные. Таковы многие белки, фосфолипиды. их называют амфифильных веществами.

Распределение молекул воды вокруг аниона и катиона

Где Карбон, там разнообразие органических веществ, где Карбон, там самые разнообразные по молекулярной архитектурой конструкции.

Энциклопедия юного химика