Ролята на водата в системата на живите клетки е кратка. вода

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 горепосочени нюанси на структурата определят биологична ролявода 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 температуракипене, 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 всички 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 мазнини и нуклеинова киселинаизобщо 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

Друг характерна особеноствода - топлопроводимост. 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 Охлаждането възниква поради факта, че при движение от един агрегатно състояниев друг, водородните връзки трябва да бъдат разрушени. 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 медуза или кръгли червеисъщо 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 на молекулярната структура на тази течност са възможни 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.

Водата (H 2 O) е най-важната неорганично веществоклетки. В клетката в количествено отношение водата е на първо място сред другите химични съединения. Водата изпълнява различни функции: поддържа обема на клетките, еластичността, участва във всички химична реакция. Всички биохимични реакции протичат в 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 вода е 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 важноза живи 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, нуклеинови киселини, 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. способност за усвояване Термална енергияс минимално повишаване на собствената температура. За да се прекъснат многобройните водородни връзки, присъстващи 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 на топлинно равновесие на клетките и организмите.

вода практически не се свива, създаващи тургорно налягане, определящи обема и еластичността на клетките и тъканите.

Пример:

Хидростатичният скелет поддържа формата на 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 на повърхностното напрежение възниква капилярен кръвен поток, възходящи и низходящи течения на разтвори в растенията.

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, освободен по време на фотолиза по време на светлинната фаза на фотосинтезата.

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. респираторен тракт. Секретите, отделяни от някои жлези и органи, също са на водна основа: слюнка, сълзи, жлъчка, сперма и др.

Високо съдържание на вода в клетката - най-важното условиенейните дейности. Със загубата на по-голямата част от водата много организми умират, както и редица едноклетъчни и дори многоклетъчни организмивременно губи признаци на живот. Това състояние се нарича суспендирана анимация. След хидратация клетките се събуждат и стават активни отново.

Водната молекула е електрически неутрална. Но електрически зарядвътре в молекулата се разпределя неравномерно: в областта на водородните атоми (по-точно протоните) преобладава положителният заряд, в областта, където се намира кислородът, плътността е по-висока отрицателен заряд. Следователно водната частица е дипол. Диполното свойство на водната молекула обяснява нейната способност да се ориентира електрическо поле, се прикрепят към различни молекули и участъци от молекули, които носят заряд. В резултат на това се образуват хидрати. Способността на водата да образува хидрати се дължи на свойствата й на универсален разтворител. Ако енергията на привличане на водните молекули към молекулите на веществото е по-голяма от енергията на привличане между водните молекули, тогава веществото се разтваря. В зависимост от това се разграничават хидрофилни (гръцки hydros - вода и phileo - любов) вещества, които са силно разтворими във вода (например соли, основи, киселини и др.) и хидрофобни (гръцки hydros - вода и phobos). - страх) вещества, трудно или изобщо неразтворими във вода (мазнини, мастноподобни вещества, каучук и др.). Част клетъчни мембранивключва мастноподобни вещества, които ограничават прехода от външната среда към клетките и обратно, както и от една част на клетката към друга.

Повечето реакции, протичащи в клетка, могат да се случат само във воден разтвор. Водата е пряк участник в много реакции. Например, разграждането на протеини, въглехидрати и други вещества става в резултат на тяхното взаимодействие с вода, катализирано от ензими. Такива реакции се наричат ​​реакции на хидролиза (гръцки hydros - вода и lysis - разделяне).

Водата има висок топлинен капацитет и в същото време относително висока топлопроводимост за течности. Тези свойства правят водата идеална течност за поддържане на топлинното равновесие на клетките и организмите.

Водата е основната среда за биохимичните реакции на клетката. Той е източник на кислород, отделен по време на фотосинтезата и водород, който се използва за възстановяване на асимилационни продукти въглероден двуокис. И накрая, водата е основното средство за транспортиране на вещества в тялото (кръв и лимфен поток, възходящи и низходящи потоци на разтвори през съдовете на растенията) и в клетката.

Не всички съединения, съдържащи се в клетката, са специфични за живата природа. Вещества като вода или соли са широко разпространени извън живите същества. Но в организмите и продуктите на тяхната жизнена дейност отдавна са открити голям брой въглеродсъдържащи вещества, характерни само за живи клетки и организми и поради това наречени „органични вещества“.

Водата е най-често срещаното съединение в живите системи. Но съдържанието на вода варира в широки граници: от 10% (емайл на зъбите), 20% ( костен), до 85% (човешки мозък), в сухите семена 10-12%, в медузите 95-98%, т.е. цялото тяло по същество е изградено от вода. Загубата на 20% вода води до клетъчна смърт или спиране на анимацията.

Свойствата на водата са уникални, т.е. никое друго съединение ги няма. Това се дължи на структурата на неговите молекули: един кислороден атом е свързан чрез силна ковалентна връзка с два водородни атома, т.е. H 2 O е много просто съединение. Водородните атоми са прикрепени към кислорода под ъгъл 104,5°.

Фиг. 1. Структурата на водната молекула.

Особености физически свойстваводата са свързани със структурата на нейната молекула и характеристиките на междумолекулните взаимодействия. Разпределението на електронната плътност във водната молекула е такова (фиг. 1, b, c), че се създават 4 полюса на заряди: 2 положителни, свързани с водородни атоми, и 2 отрицателни, свързани с електронните облаци от електрони на кислорода атом. Посочените 4 полюса на заряда са разположени във върховете на тетраедъра (фиг. 1, г). Поради това водната молекула е диполна, а четирите полюса на зарядите позволяват на всяка молекула да образува четири водородни връзки със съседни (същите) молекули. В резултат на това се образуват клъстери (когато се замразят бързо, те изглеждат като красиви снежинки, Фиг. 2.).

Фиг.2. Образуване на воден клъстер.

Формират се клъстери работещ "структура на водата". Водородните връзки са слаби, 15-20 пъти по-слаби от ковалентните връзки. Следователно някои връзки лесно се прекъсват, докато други възникват. В резултат на това молекулите са много подвижни. Всички външни промени (температура, налягане и т.н.) променят тази работна структура. Така водата има висока чувствителност и памет.

Молекулите на водата могат да се прикрепят към молекули, които носят електронен заряд, което води до образуването на хидрати. Ако силата на привличане между водните молекули е по-малка от привличането на водата към молекулите на веществото, веществото се разтваря.

Свойства и функции на водата.

1. Свързва всички живи и нежива природана планетата. Водата е подвижна, променлива, но не се променя химичен съставмолекули, но структурата на клъстера.

2. Водата е универсален разтворител. Поради своята полярност той няма равен в това: във водата се разтварят повече вещества, отколкото във всяка друга течност. Веществата влизат и излизат от клетката само в разтворен вид.

3. По отношение на водата веществата в клетката се делят на 2 групи:

а) хидрофобни (fobos - страх, ужас): неразтворими във вода (мазнини, полизахариди и др.)

б) хидрофилни (fileon – любов): разтворими във вода (минерални соли, киселини, монозахариди и др.)

Поради това свойство на водата (поради хидрофобни взаимодействия), в клетката се събират:

1) биологични мембрани,

2) протеините и ДНК приемат формата на спирала.

4. Водата се характеризира с висок топлинен капацитет (т.е. отнема много енергия, за да се повиши температурата на водата и да се разрушат водородните връзки). Така че точката на кипене на водата е 100 0 C, а тази на алкохола е 70 0 C.

5. Висока топлопроводимост. Благодарение на това свойство се поддържа топлинно равновесие в клетката и тялото.

6. Самата вода, като химично съединение, участва в много химични реакции. Например реакциите на хидролиза възникват поради добавяне на вода.

7. Той е източник на O 2 и H + по време на фотосинтеза (фотолиза на водата).

8. Водата е основната среда за транспортиране на вещества в клетката (дифузия) и тялото (кръв и лимфен поток, интерстициална течност, съдържаща хранителни вещества, O 2 и CO 2 , хормони, вещества, които включват и изключват гените). Това е транспортна функция.

9. Осигурява обем и еластичност на клетките: тургор и осмотично налягане, поддържа формата на клетките и организмите (хидроскелет в кръгли и пръстеновидни).

10. Среда за торене.

11. Среда за живот на водните организми.

12. Среда за развитие на животински ембриони (в амниона).

13. Участва в образуването на смазочни течности в ставите, плевралната кухина и перикардната торбичка.

14. Образува слуз, която осигурява движението на веществата през червата, влажна среда върху лигавиците (кихане, кашляне).

15. Участва в образуването на секрети (слюнка, сълзи, жлъчка, сперма и соли в организма).

16. Водата е ограничаващият фактор за живота на нашата планета. Където има вода, има живот, където няма вода, няма живот.

С много малко изключения (кости и зъбен емайл), водата е преобладаващият компонент на клетката. Водата е необходима за клетъчния метаболизъм, тъй като физиологичните процеси протичат изключително в водна среда. Водните молекули 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 водасъставлява 95% от цялата вода в клетката и се използва главно като разтворител и като дисперсионна среда за колоидната система на протоплазмата.

Свързана вода, който представлява само 4% от общата вода в клетката, е хлабаво свързан с протеините чрез водородни връзки.

Полярност на водна 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.Благодарение на 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.