Uloga vode u sistemu živih ćelija je kratka. Voda

Bukvalno od detinjstva svaka osoba zna da voda igra veoma važnu ulogu za nas. Higijena, čišćenje, piće - svaki od ovih sastavnih elemenata života povezan je s vodom. Postepeno istražujući svijet, dijete uči o ulozi vode u ćeliji. Možda tek od ovog trenutka postaje jasno koliki je njegov značaj: sam život je nezamisliv bez vode. Zahvaljujući svojim svojstvima, omogućava funkcionisanje složenih organizama.

Struktura molekula

Uloga vode u životu ćelije direktno je povezana sa karakteristikama njene strukture. Svi znaju formulu glavne tečnosti našeg tijela. Svaki se sastoji od jednog atoma kisika i dva atoma vodika. Kombinuju se u jedinstvenu celinu zbog polariteta, na osnovu formiranja zajedničkog elektronskog para između dva atoma. Karakteristična karakteristika molekula vode je njena električna asimetrija. Atom kisika je elektronegativniji i jače privlači elektrone iz atoma vodika. Posljedica toga je pomicanje uobičajenih parova elektrona prema atomu kisika.

Dipole

Uloga vode u ćeliji ovisi o karakteristikama svojstvenim ovoj tvari. Kao rezultat pomicanja uobičajenog para elektrona, on postaje polariziran. Molekul vode karakterizira prisustvo dva pola: svaki atom vodika ima djelomično pozitivan naboj, a svaki atom kisika ima djelomično negativan naboj. Zajedno stvaraju neutralni molekul.

Dakle, svaka strukturna jedinica vode je dipol. Strukturne karakteristike molekula također određuju prirodu veze između susjednih struktura. Djelomično negativni atom kisika privučen je atomima vodika drugih molekula. Između njih nastaju takozvane vodikove veze. Svaki molekul vode nastoji komunicirati na sličan način sa svoja četiri susjeda. Sve gore navedene nijanse strukture određuju biološka uloga vode u kavezu.

Posebnosti

Vodikove veze, karakteristične za molekule vode, određuju mnoga njena svojstva. Veze između atoma kiseonika i vodika su posebno jake, što znači da je za njihovo prekidanje potrebna impresivna količina energije. Kao rezultat, voda ima visoka temperatura ključanja, kao i topljenja i isparavanja. Među sličnim supstancama, voda je jedina supstanca prisutna na Zemlji istovremeno u tri agregatna stanja. Uloga vode u ćeliji takođe se zasniva na ovoj osobini.

Interakcija sa hidrofilnim supstancama

Inherentna sposobnost čestica vode da formiraju vodonične veze omogućava glavnoj tjelesnoj tekućini da otapa mnoga jedinjenja. Takve tvari nazivaju se hidrofilnim, odnosno "prijateljskim" prema vodi. To uključuje jonska jedinjenja: soli, baze i kiseline. Hidrofilne supstance takođe uključuju nejonska jedinjenja koja imaju polaritet. Njihovi molekuli sadrže nabijene grupe. To su aminokiseline, šećeri, jednostavni alkoholi i neka druga jedinjenja.
Uloga vode u životu ćelije svodi se na stvaranje okruženja neophodnog za ubrzavanje svih reakcija. Otopina je stanje tvari u kojem se svi njeni molekuli mogu kretati mnogo slobodnije, odnosno sposobnost reagiranja postaje mnogo veća nego u njihovom uobičajenom obliku.

Zahvaljujući ovim svojstvima, voda je postala glavni medij za nastanak velike većine hemijskih reakcija. Štoviše, na primjer, hidroliza i cijeli niz redoks procesa provode se samo uz direktno sudjelovanje glavne ćelijske tekućine.

Reagens

Ogromna uloga vode u životu ćelije je nesporna. Ona učestvuje u svim važnim procesima. Na primjer, voda je neophodna za fotosintezu. Jedna od njegovih faza, fotoliza vode, uključuje odvajanje atoma vodika i njihovo uključivanje u nastali organska jedinjenja. U tom slučaju se oslobođeni kisik oslobađa u atmosferu.

Ljudi i životinje su povezani sa već spomenutom hidrolizom, uništavanjem tvari uz dodatak vode. Jedna od najvažnijih reakcija ove vrste u ćeliji je razgradnja molekule ATP-a, koja nastaje oslobađanjem energije koja se koristi za druge vitalne procese.

Interakcija sa hidrofobnim supstancama

Neki proteini, kao i masti i nukleinske kiseline uopšte se ne otapaju u vodi ili je ovaj proces veoma težak. Takve tvari se nazivaju hidrofobne, odnosno "bojeće se" vode. Uloga vode u ćeliji i tijelu također je povezana s njenom interakcijom sa sličnim spojevima.

Molekuli vode su u stanju da se odvoje od same tečnosti. Kao rezultat, formiraju se tzv. interfejsi. Na njima se odvijaju mnoge hemijske reakcije. Dakle, zahvaljujući interakciji fosfolipida koji čine ćelijsku membranu sa vodom nastaje lipidni dvosloj.

Toplotni kapacitet

U ćeliji je njeno učešće u termoregulaciji. prilično visoko. To znači da kada se apsorbira impresivna količina, temperatura vode se neznatno mijenja. Ova karakteristika pomaže u održavanju konstantne temperature unutar ćelije, koja je neophodna za normalan tok mnogih procesa i održavanje konstantnog unutrašnjeg okruženja.

Ravnomjerna raspodjela topline

Još jedan karakteristična karakteristika voda - toplotna provodljivost. Takođe pomaže u održavanju konstantnog unutrašnjeg okruženja. Voda je sposobna prenijeti impresivnu količinu topline iz dijela tijela gdje je ima u višku na one ćelije i tkiva kojima je nedostaje.

Osim toga, termoregulacija se također provodi zbog hlađenja nastaje zbog činjenice da se pri kretanju od jednog stanje agregacije u drugom, vodonične veze moraju biti uništene. A to, kao što je već spomenuto, zahtijeva velike količine energije.

Hidrostatički skelet

Uloga vode u životu ćelije se tu ne završava. Glavna tjelesna tekućina ima još jedno svojstvo: praktički se ne komprimira. Ova karakteristika omogućava vodi da igra ulogu hidrostatičkog skeleta u ćeliji. Voda stvara turgorski pritisak, određujući tako svojstva ćelija i tkiva kao što su volumen i elastičnost. Lako je razumjeti ulogu vode u ćeliji u tom smislu ako pogledate drveće. Uobičajeni oblik lista nastaje zbog povećanog pritiska u ćelijama. Slični primjeri u organski svijet težina. Na primjer, poznati oblik meduze ili okrugli crvi također je podržan hidrostatskim skeletom.

Gubitak vode ćelijama, prema tome, dovodi do obrnutih procesa. Počinje promjena oblika: listovi venu, plodovi se naboraju, koža gubi elastičnost.

Učešće u transportu materija

Koristeći vodikove veze, molekule vode mogu se povezati ne samo jedni s drugima, već i s drugim tvarima. Kao rezultat ove interakcije, pojavljuje se supstanca koja igra značajnu ulogu u transportu tvari u tijelu. Dakle, posljedica kohezije (adhezije molekula pod utjecajem, a u slučaju vode i vodoničnim vezama) je kretanje hranjivih tvari u kapilarama biljaka. Zahvaljujući ovoj istoj osobini, voda se kreće iz tla kroz korijenske dlačice u biljku.

Također, sila površinske napetosti omogućava kapilarni protok krvi kod životinja i ljudi. Voda je uključena u kretanje tvari i uklanjanje produkata raspadanja iz tijela.

Ispostavilo se da je odgovor na pitanje "koja je uloga vode u ćeliji?" sasvim nedvosmisleno - ogroman je. Zahvaljujući osnovnim svojstvima molekularne strukture ove tečnosti, mogući su svi osnovni procesi bez kojih je život nezamisliv. Voda pomaže u povećanju reaktivnosti supstanci, održava oblik ćelija i organa, učestvuje u obezbeđivanju svega što im je potrebno i deo je mnogih hemijskih reakcija. Voda je izvor života i to definitivno nije metafora. Uz njega su povezani svi važni metabolički procesi, a u osnovi je i interakcija različitih jedinjenja.

Upravo zbog ovih svojstava voda je supstanca koja se prvo traži kada se istražuju druge planete u pokušaju da se shvati da li su pogodne za život.

Voda (H 2 O) je najvažnija neorganska supstancaćelije. U ćeliji, u kvantitativnom smislu, voda je na prvom mjestu među ostalim hemijskim jedinjenjima. Voda obavlja različite funkcije: održava volumen ćelije, elastičnost, učestvuje u svemu hemijske reakcije. Sve biohemijske reakcije se odvijaju u vodeni rastvori. Što je veća brzina metabolizma u određenoj ćeliji, ona sadrži više vode.

Obratite pažnju!

Voda u ćeliji je u dva oblika: slobodna i vezana.

Besplatna voda nalaze se u međućelijskim prostorima, sudovima, vakuolama i šupljinama organa. Služi za transport materija iz okruženje u ćeliju i obrnuto.
Vezana voda dio je nekih ćelijskih struktura, smješten između proteinskih molekula, membrana, vlakana i povezan je s nekim proteinima.
Voda ima niz svojstava koja su isključivo važno za žive organizme.

Struktura molekula vode

Jedinstvena svojstva vode određena su strukturom njene molekule.

Između pojedinih molekula vode nastaju vodikove veze koje određuju fizičku i hemijska svojstva vode.
Karakterističan raspored elektrona u molekuli vode daje joj električnu asimetriju. Elektronegativniji atom kisika jače privlači elektrone atoma vodika, što rezultira molekulom vode dipol(ima polaritet). Svaki od dva atoma vodika ima djelomično pozitivan naboj, a atom kisika ima djelomično negativan naboj.

Djelomično negativni naboj atoma kisika jedne molekule vode privlače djelomično pozitivni atomi vodika drugih molekula. Dakle, svaki molekul vode teži da se poveže vodoničnu vezu sa četiri susjedna molekula vode.

Svojstva vode

Pošto su molekuli vode polarni, voda ima svojstvo rastvaranja polarnih molekula drugih supstanci.
Supstance koje su rastvorljive u vodi nazivaju se hidrofilna(soli, šećeri, jednostavni alkoholi, aminokiseline, neorganske kiseline). Kada supstanca pređe u rastvor, njeni molekuli ili ioni mogu se slobodnije kretati i samim tim se povećava reaktivnost supstance.

Supstance koje su nerastvorljive u vodi nazivaju se hidrofobna(masti, nukleinske kiseline, neki proteini). Takve tvari mogu formirati međusklopove s vodom na kojima se odvijaju mnoge kemijske reakcije. Stoga je i činjenica da voda ne otapa neke tvari vrlo važna za žive organizme.

Voda ima visoku specifičnost toplotni kapacitet, tj. sposobnost apsorpcije toplotnu energiju uz minimalno povećanje vlastite temperature. Da bi se prekinule brojne vodikove veze prisutne između molekula vode, potrebno je apsorbirati veliki broj energije. Ovo svojstvo vode osigurava održavanje toplotni bilans u telu. Veliki toplotni kapacitet vode štiti tjelesna tkiva od brzog i snažnog porasta temperature.
Za isparavanje vode potrebno je dosta energije. Upotreba značajne količine energije za razbijanje vodoničnih veza tokom isparavanja pomaže da se ohladi. Ovo svojstvo vode štiti tijelo od pregrijavanja.

primjer:

Primjeri ovoga uključuju transpiraciju u biljkama i znojenje kod životinja.

Voda takođe ima visoku toplotnu provodljivost, obezbeđujući ravnomernu distribuciju toplote po celom telu.

Obratite pažnju!

Visok specifični toplotni kapacitet i visoka toplotna provodljivostčini vodu idealnom tečnošću za održavanje toplotne ravnoteže ćelija i organizama.

Voda praktično se ne skuplja, stvarajući turgorski pritisak, određujući volumen i elastičnost ćelija i tkiva.

primjer:

Hidrostatički skelet održava oblik kod okruglih crva, meduza i drugih organizama.

Zahvaljujući adhezivnim silama molekula, na površini vode stvara se film koji ima takvu karakteristiku kao površinski napon.

primjer:

Zbog sile površinske napetosti dolazi do kapilarnog protoka krvi, uzlaznih i silaznih strujanja otopina u biljkama.

Među fiziološki važnim svojstvima vode je njena sposobnost rastvaranja gasova(O 2, CO 2, itd.).

Voda je takođe izvor kiseonika i vodonika koji se oslobađaju tokom fotolize tokom svetlosne faze fotosinteze.

Biološke funkcije vode

• Voda osigurava kretanje tvari u ćeliji i tijelu, apsorpciju tvari i uklanjanje metaboličkih produkata. U prirodi voda prenosi otpadne proizvode u tlo i vodena tijela.
• Voda je aktivan učesnik u metaboličkim reakcijama.
• Voda učestvuje u stvaranju mazivih tečnosti i sluzi, sekreta i sokova u organizmu (te tečnosti se nalaze u zglobovima kičmenjaka, u pleuralnoj šupljini, u perikardijalnoj vrećici).
• Voda je dio sluzi, što olakšava kretanje tvari kroz crijeva i stvara vlažnu sredinu na sluznicama. respiratornog trakta. Sekreti koje luče neke žlijezde i organi su također na bazi vode: pljuvačka, suze, žuč, sperma itd.

Visok sadržaj vode u ćeliji - najvažniji uslov njene aktivnosti. Gubitkom većine vode mnogi organizmi umiru, a veliki broj jednoćelijskih i čak višećelijskih organizama privremeno gubi sve znakove života. Ovo stanje se naziva suspendovana animacija. Nakon hidratacije, stanice se bude i ponovo aktiviraju.

Molekul vode je električno neutralan. Ali električni naboj unutar molekule je neravnomjerno raspoređen: u području atoma vodika (tačnije, protona) prevladava pozitivni naboj, u području gdje se nalazi kisik gustoća je veća negativni naboj. Dakle, čestica vode je dipol. Svojstvo dipola molekule vode objašnjava njenu sposobnost da se orijentiše električno polje, vežu se za različite molekule i dijelove molekula koji nose naboj. Kao rezultat, nastaju hidrati. Sposobnost vode da formira hidrate je zbog njenih univerzalnih svojstava rastvarača. Ako je energija privlačenja molekula vode za molekule tvari veća od energije privlačenja između molekula vode, tada se tvar otapa. Ovisno o tome, razlikuje se hidrofilne (grč. hydros - voda i phileo - ljubav) tvari koje su vrlo topljive u vodi (npr. soli, lužine, kiseline itd.) i hidrofobne (grč. hydros - voda i phobos - strah) materije, teško ili nikako rastvorljive u vodi (masti, masti slične materije, guma, itd.). Uključeno ćelijske membrane uključuje tvari slične mastima koje ograničavaju prijelaz iz vanjskog okruženja u ćelije i natrag, kao i iz jednog dijela ćelije u drugi.

Većina reakcija koje se javljaju u ćeliji mogu se dogoditi samo u vodenoj otopini. Voda je direktan učesnik u mnogim reakcijama. Na primjer, razgradnja proteina, ugljikohidrata i drugih supstanci nastaje kao rezultat njihove interakcije s vodom koju kataliziraju enzimi. Takve reakcije se nazivaju reakcije hidrolize (grčki hydros - voda i lysis - cijepanje).

Voda ima veliki toplotni kapacitet i istovremeno relativno visoku toplotnu provodljivost za tečnosti. Ova svojstva čine vodu idealnom tekućinom za održavanje toplinske ravnoteže ćelija i organizama.

Voda je glavni medij za biohemijske reakcije ćelije. To je izvor kiseonika koji se oslobađa tokom fotosinteze i vodonika, koji se koristi za obnavljanje proizvoda asimilacije ugljični dioksid. I konačno, voda je glavno sredstvo transporta tvari u tijelu (tok krvi i limfe, uzlazne i silazne struje otopina kroz sudove biljaka) iu ćeliji.

Nisu sva jedinjenja sadržana u ćeliji specifična za živu prirodu. Supstance kao što su voda ili soli su široko rasprostranjene izvan živih bića. Ali veliki broj supstanci koje sadrže ugljik, karakteristične samo za žive stanice i organizme i stoga nazvane "organske tvari", odavno je otkriven u organizmima i njihovim metaboličkim proizvodima.

Voda je najčešće jedinjenje u živim sistemima. Ali sadržaj vode uvelike varira: od 10% (zubna caklina), 20% ( koštanog tkiva), do 85% (ljudski mozak), u suvim sjemenkama 10-12%, u meduzama 95-98%, tj. cijelo tijelo je u suštini napravljeno od vode. Gubitak 20% vode dovodi do smrti ćelije ili suspendirane animacije.

Svojstva vode su jedinstvena, tj. nijedan drugi kompleks ih nema. To je zbog strukture njegovih molekula: jedan atom kisika povezan je jakom kovalentnom vezom s dva atoma vodika, tj. H 2 O je vrlo jednostavno jedinjenje. Atomi vodika su vezani za kiseonik pod uglom od 104,5 0.

Fig.1. Struktura molekula vode.

Posebnosti fizička svojstva voda je povezana sa strukturom njenog molekula i karakteristikama međumolekulskih interakcija. Distribucija elektronske gustine u molekuli vode je takva (sl. 1, b, c) da se stvaraju 4 pola naelektrisanja: 2 pozitivna, povezana sa atomima vodonika, i 2 negativna, povezana sa elektronskim oblacima elektrona kiseonika. atom. Naznačena 4 pola naelektrisanja nalaze se na vrhovima tetraedra (slika 1, d). Zbog toga je molekul vode dipol, a četiri pola naboja omogućavaju svakom molekulu da formira četiri vodikove veze sa susjednim (istim) molekulima. Kao rezultat, formiraju se klasteri (kada su zamrznuti, izgledaju kao prelepe pahulje, sl. 2.).

Fig.2. Formiranje vodenog klastera.

Formiraju se klasteri radi "struktura vode". Vodikove veze su slabe, 15-20 puta slabije od kovalentnih. Stoga se neke veze lako prekidaju, dok druge nastaju. Kao rezultat toga, molekuli su vrlo pokretni. Sve vanjske promjene (temperatura, pritisak, itd.) mijenjaju ovu radnu strukturu. Dakle, voda ima visoku osjetljivost i pamćenje.

Molekuli vode se mogu vezati za molekule koji nose elektronski naboj, što rezultira stvaranjem hidrata. Ako je sila privlačenja između molekula vode manja od privlačenja vode za molekule tvari, tvar se rastvara.

Svojstva i funkcije vode.

1. Povezuje sve žive i nežive prirode na planeti. Voda je pokretna, promjenjiva, ali se ne mijenja hemijski sastav molekule, već strukturu klastera.

2. Voda je univerzalni rastvarač. Zbog svog polariteta nema mu ravnog u tome: više tvari se otapa u vodi nego u bilo kojoj drugoj tekućini. Supstance ulaze i izlaze iz ćelije samo u rastvorenom obliku.

3. U odnosu na vodu, supstance u ćeliji se dele u 2 grupe:

a) hidrofobna (fobos - strah, užas): nerastvorljiva u vodi (masti, polisaharidi, itd.)

b) hidrofilni (fileon – ljubav): rastvorljivi u vodi (mineralne soli, kiseline, monosaharidi itd.)

Zbog ovog svojstva vode (zbog hidrofobnih interakcija), u ćeliji se sakupljaju:

1) biološke membrane,

2) proteini i DNK poprimaju oblik spirale.

4. Voda se odlikuje visokim toplotnim kapacitetom (tj. potrebno je mnogo energije da bi se podigla temperatura vode i prekinule vodonične veze). Dakle, tačka ključanja vode je 100 0 C, a alkohola 70 0 C.

5. Visoka toplotna provodljivost. Zahvaljujući ovoj osobini, održava se termička ravnoteža u ćeliji i tijelu.

6. Sama voda, kao hemijsko jedinjenje, učestvuje u mnogim hemijskim reakcijama. Na primjer, reakcije hidrolize nastaju zbog dodavanja vode.

7. Izvor je O 2 i H + tokom fotosinteze (fotolize vode).

8. Voda je glavni medij za transport supstanci u ćeliji (difuzija) i tijelu (krv i limfni tokovi, intersticijska tekućina koja sadrži hranljive materije, O 2 i CO 2 , hormoni, supstance koje uključuju i isključuju gene). Ovo je transportna funkcija.

9. Obezbeđuje volumen i elastičnost ćelije: turgor i osmotski pritisak, održava oblik ćelija i organizama (hidroskelet u okruglim i anelidima).

10. Podloga za đubrenje.

11. Okruženje za život vodenih organizama.

12. Medij za razvoj životinjskih embriona (u amnionu).

13. Učestvuje u stvaranju mazivih tečnosti u zglobovima, pleuralnoj šupljini i perikardijalnoj vrećici.

14. Formira sluz, koja obezbeđuje kretanje materija kroz creva, vlažnu sredinu na sluznicama (kihanje, kašalj).

15. Učestvuje u stvaranju sekreta (sline, suza, žuči, sperme i soli u organizmu).

16. Voda je ograničavajući faktor života na našoj planeti. Gdje god ima vode, ima života, gdje nema vode, nema života.

Uz vrlo malo izuzetaka (kosti i zubna caklina), voda je dominantna komponenta ćelije. Voda je neophodna za metabolizam ćelija, jer se fiziološki procesi odvijaju isključivo u vodena sredina. Molekuli vode su uključeni u mnoge enzimske reakcije ćelije. Na primjer, razgradnja proteina, ugljikohidrata i drugih supstanci nastaje kao rezultat njihove interakcije s vodom koju kataliziraju enzimi. Takve reakcije se nazivaju reakcije hidroliza.

Voda služi kao izvor vodonikovih jona tokom fotosinteze. Voda u ćeliji je u dva oblika: slobodna i vezana.

Slobodna vodačini 95% sve vode u ćeliji i koristi se uglavnom kao rastvarač i kao disperzioni medij za koloidni sistem protoplazme.

Vezana voda, koji čini samo 4% ukupne vode u ćeliji, labavo je povezan sa proteinima vodoničnim vezama.

Polaritet molekula vode. Zbog asimetrične raspodjele naboja, molekul vode djeluje kao dipol te stoga mogu biti vezani i za pozitivno i za negativno nabijene proteinske grupe. Svojstvo dipola molekule vode objašnjava njenu sposobnost da se orijentiše u električnom polju i veže se za različite molekule i delove molekula koji nose naboj. Kao rezultat, nastaju hidrati.

Toplotni kapacitet. Zbog svog velikog toplotnog kapaciteta, voda apsorbuje toplotu i na taj način sprečava nagle temperaturne fluktuacije u ćeliji.

Transportna funkcija vode. Voda- glavno sredstvo za kretanje materija u organizmu (krvotok, limfa, uzlazne i silazne struje rastvora kroz sudove biljaka) i u ćeliji.

Voda je poput maziva. Voda služi kao „mazivo“, neophodno svuda gde se trljaju površine (na primer, u zglobovima).

Voda ima najveću gustinu na 4°C. Stoga je led, koji ima manju gustoću, lakši od vode i pluta na njenoj površini, što štiti rezervoar od smrzavanja. Ovo svojstvo vode spašava živote mnogih vodenih organizama.