Вода, значення води в клітці.
Вода в клітці знаходиться в двох формах: вільної та зв'язаної. Вільна вода знаходиться в міжклітинних просторах, судинах, вакуолях, порожнинах органів. Вона служить для перенесення речовин з навколишнього середовища в клітку і навпаки. Пов'язана вода входить до складу деяких клітинних структур, перебуваючи між молекулами білка, мембранами, волокнами, і з'єднана з деякими білками.
Вода виконує різні функції: збереження обсягу, пружності клітини, розчинення різних речовин. Крім того, в живих системах велика частина хімічних реакцій протікає у водних розчинах.
Вода має низку властивостей, мають виключно важливе значення для живих організмів. Унікальні властивості води визначаються структурою її молекули. Молекула води складається з атома О, пов'язаного з двома атомами Н полярними ковалентними зв'язками. Характерне розташування електронів в молекулі води надає їй електричну асиметрію. Більш електронегативний атом кисню притягує електрони атомів водню сильніше, в результаті загальні пари електронів зміщені в молекулі води в його сторону.
Тому, хоча молекула води в цілому не заряджена, кожен з двох атомів водню має частково позитивним зарядом (позначається δ +), а атом кисню несе частково негативний заряд (δ-). Молекула води поляризована і є диполем (має два полюси) (рис. 6). Частково негативний заряд атома кисню однієї молекули води притягається частково позитивними атомами водню інших молекул. Таким чином, кожна молекула води прагне зв'язатися водневої зв'язком з чотирма сусідніми молекулами води.
Завдяки полярності молекул і здатності утворювати водневі зв'язки вода легко розчиняє іонні сполуки (солі, кислоти, підстави). Добре розчиняються у воді і деякі неіонні, але полярні сполуки, т. Е. В молекулі яких присутні заряджені (полярні) групи, наприклад цукру, прості спирти, амінокислоти. Речовини, добре розчинні у воді, називаються гідрофільними (від грец. Hygros- вологий і philia - дружба, схильність). Коли речовина переходить в розчин, його молекули або іони можуть рухатися більш вільно і, отже, реакційна здатність речовини зростає.
Це пояснює, чому вода є основним середовищем, в якій протікає більшість хімічних реакцій, а всі реакції гідролізу і численні окислювально відновні реакції йдуть при безпосередній участі води.
Речовини, погано або зовсім нерозчинні в воді, називаються гідрофобними (від греч.phobos - страх). До них відносяться жири, нуклеїнові кислоти, деякі білки. Такі речовини можуть утворювати з водою поверхні розділу, на яких протікають багато хімічних реакцій. Отже, той факт, що вода не розчиняє неполярні речовини, для живих організмів також дуже важливий. До числа важливих у фізіологічному відношенні властивостей води відноситься її здатність розчиняти гази (О2, З і ін.).
Вода має високу теплоємність, т. Е. Здатністю поглинати теплову енергію при мінімальному підвищенні власної температури. Велика теплоємність води захищає тканини організму від швидкого і сильного підвищення температури. Багато організмів охолоджуються, випаровуючи воду (транспірація у рослин, потовиділення у тварин).
Вода має також високу теплопровідність, забезпечуючи рівномірний розподіл тепла по всьому організму. Отже, висока питома теплоємність і висока теплопровідність роблять воду ідеальної рідиною для підтримки теплового рівноваги клітини і організму.
Вода мало стискається, створюючи тургорное тиск, визначаючи обсяг і пружність клітин і тканин. Так, саме гідростатичний скелет підтримує форму у круглих черв'яків, медуз і інших організмів.
Вода характеризується оптимальним для біологічних систем значенням сили поверхневого натягу, яке виникає завдяки освіті водневих зв'язків між молекулами води і молекулами інших речовин.
Вода має показник заломлення n = 1,33 в оптичному діапазоні. Однак вона сильно поглинає інфрачервоне випромінювання, і тому водяна пара є основним природним парниковим газом, що відповідає більш ніж за 60% парникового ефекту. Завдяки великому дипольному моменту молекул, вода також поглинає мікрохвильове випромінювання, на чому заснований принцип дії мікрохвильової печі.
При нормальному атмосферному тиску (760 мм рт. Ст. 101 325 Па) вода переходить в твердий стан при температурі в 0 ° C і кипить (перетворюється на водяну пару) при температурі 100 ° C (температура 0 ° C і 100 ° C були спеціально обрані як температура танення льоду і кипіння води при створенні температурної шкали «за Цельсієм» в системі СІ). При зниженні тиску температура танення (плавлення) льоду повільно росте, а температура кипіння води - падає. При тиску в 611,73 Па (близько 0,006 атм) температура кипіння і плавлення збігається і стає рівною 0,01 ° C. Такий тиск і температура називаються потрійною точкою води. При більш низькому тиску вода не може перебувати в рідкому стані, і лід перетворюється безпосередньо в пар. Температура сублімації (сублімації) льоду падає зі зниженням тиску. При високому тиску існують модифікації льоду з температурами плавлення вище кімнатної.
Вода є найбільш поширеним розчинником на планеті Земля, багато в чому визначає характер земної хімії, як науки. Велика частина хімії, при її зародженні як науки, починалася саме як хімія водних розчинів речовин. Її іноді розглядають, як амфоліт - і кислоту і підстава одночасно (катіон H + аніон OH-). За відсутності сторонніх речовин у воді однакова концентрація гідроксид-іонів і іонів водню (або іонів гідроксонію), pKa ≈ 16.
Вода хімічно досить активна речовина. Сильно полярні молекули води сольватіруются іони і молекули, утворюють гідрати і кристалогідрати. Сольволізу, і зокрема гідроліз, відбувається в живій і неживій природі, і широко використовується в хімічній промисловості. Вода відіграє унікальну роль як речовина, що визначає можливість існування і саме життя всіх істот на Землі. Вона виконує роль універсального розчинника, в якому відбуваються основні біохімічні процеси живих організмів. Унікальність води полягає в тому, що вона досить добре розчиняє як органічні, так і неорганічні речовини, забезпечуючи високу швидкість протікання хімічних реакцій і в той же час - достатню складність утворюються комплексних сполук.
Завдяки водневого зв'язку, вода залишається рідкою в широкому діапазоні температур, причому саме в тому, що широко представлений на планеті Земля в даний час.
Оскільки у льоду щільність менше, ніж у рідкої води, вода в водоймах замерзає зверху, а не знизу. Утворився шар льоду перешкоджає подальшому промерзання водойми, це дозволяє його мешканцям вижити.
Природа водневих зв'язків
Сама молекула Н2О електронейтральна, але заряд всередині молекули розподілений нерівномірно: в області атомів водню невеликий позитивний, а в області, де розташований атом кисню, невеличкий негативний заряд. Завдяки цьому молекули води можуть взаємодіяти один з одним з утворенням так званих водневих зв'язків.
Водневий зв'язок визначає унікальні властивості води:
У води дуже високі температури кипіння, плавлення і пароутворення, так як потрібно затратити додаткову енергію на розрив водневих зв'язків. Тільки вода знаходиться у всіх трьох агрегатних станах одночасно. Інші речовини з подібним будовою і молекулярною масою, такі як H2S, HCl, NH3 при звичайних умовах є газами.
Гідрофобні речовини не будуть розчинятися у воді, зате молекули H2O зможуть відокремити гідрофобна речовина від самої товщі води. Наприклад, жири - фосфоліпіди, з яких складається клітинна мембрана, можуть завдяки взаємодії з водою формувати ліпідний бішар.
Участь в хімічних реакціях
Вода як реагент бере участь у багатьох хімічних реакціях:
В ході фотосинтезу у рослин відбувається фотоліз води - водень зі складу води входить в органічні речовини, а вільний кисень виділяється в атмосферу.
Вода бере участь в гідролізі - руйнуванні речовин з приєднанням води. Наприклад, гідроліз жирів, білків і вуглеводів відбувається при перетравленні їжі, а при гідролізі АТФ виділяється енергія, що забезпечує потреби клітини.
При гідролізі солей вода є джерелом протонів і електронів.
Підтримка структури клітин
Вода практично не стисливості (в рідкому стані), і тому служить гідростатичним скелетом клітини. За рахунок осмосу вода створює надлишковий тиск усередині вакуолей рослинних клітин, це тургорное тиск забезпечує пружність клітинної стінки і підтримання форми органів (наприклад, листя).
У рослин, завдяки, зокрема, капілярному ефекту, характерному для води (її молекулам властива когезия) здійснюється підйом від кореня до іншим частинам рослини розчинених у воді мінеральних солей по судинах. Також через когезии вода в грунті доступна для всмоктування через кореневі волоски.
Транспорт продуктів фотосинтезу відбувається за допомогою переміщення по ситовідним трубках водного розчину сахарози.
Виведення, переміщення продуктів обміну речовин в розчиненому вигляді у тварин (вода є основним компонентом крові і лімфи, а також відіграє важливу роль в видільної системі).
Участь в терморегуляції
Внаслідок своєї великої теплоємності - 4200 Дж / (кг · К) - вода забезпечує зразкову сталість температури всередині клітини. Вода може переносити велику кількість теплоти, віддаючи її там, де температура тканин нижче, і забираючи там, де температура вища. Також при випаровуванні води відбувається значне охолодження через те, що багато енергії витрачається на розрив водневих зв'язків при переході з одного агрегатного стану (рідина) в інше (газ).
До 80% маси клітини займає вода.Она забезпечує пружність клеткі.Благодаря високою полярності молекул, є розчинником інших полярних сполук. Вода бере участь в терморегуляції, в хім.реакціях, що протікають в клітинах у водних розчинах. Вона розчиняє непотрібні організму продукти обміну речовин і виводить їх з організма.Вода сприяє переміщенню речовин всередині клітини або з клітини в клітину. Без води життя неможливе.
як зменшення води в клітинах впливає на життєдіяльність організмів?
Серйозним показником зневоднення є швидке зниження ваги. За кілька днів можна втратити до декількох кілограм. Швидка втрата ваги, більше 10% від загальної ваги, вважається важкою. Симптоми зневоднення важко відрізнити від симптомів інших хвороб, але, в цілому, зневоднення має наступні ознаки: підвищення спраги, сухість у роті, слабкість або легке запаморочення, каламутна сеча або скорочення сечовипускання. Важка дегідратація (зневоднення) може привести до змін в хімічному балансі організму, ниркової недостатності і навіть може бути небезпечною для життя.
і унікальне властивості дозволили воді грати в клітці роль розчинника, терморегулятора, а також підтримувати структуру клітин і здійснювати транспортування речовин.
Вода добре розчиняє гідрофільні речовини, наприклад, розчинні солі, білки, цукру. Молекули води оточують іони або молекули речовини, відокремлюючи тим самим частки один від одного. Отже, в розчині молекули (або іони) зможуть рухатися більш вільно, значить, швидше увійти в хімічну реакцію. Гідрофобні речовини не будуть розчинятися у воді, зате молекули H2O зможуть відокремити гідрофобна речовина від самої товщі води.
Вода як реагент бере участь у багатьох хімічних реакціях:
У фотосинтезі, в гідролізі - руйнуванні речовин з приєднанням води, а при гідролізі солей вода є джерелом протонів і електронів.
Вода практично не стисливості (в рідкому стані), і тому служить гідростатичним скелетом клітини, забезпечує пружність клітинної стінки і підтримання форми органів (наприклад, листя).
Вода забезпечує зразкову сталість температури всередині клітини. Вона здатна переносити велику кількість теплоти, віддаючи її там, де температура тканин нижче, і забираючи там, де температура вища. Також при випаровуванні води відбувається значне охолодження.