Vee roll elusrakkude süsteemis on lühike. Vesi

Sõna otseses mõttes lapsepõlvest peale teab iga inimene, et vesi mängib meie jaoks väga olulist rolli. Hügieen, koristamine, joomine – kõik need lahutamatud eluelemendid on seotud veega. Järk-järgult maailma uurides õpib laps tundma vee rolli rakus. Võib-olla saab alles sellest hetkest selgeks, kui suur on selle tähtsus: elu ise on mõeldamatu ilma veeta. Tänu oma omadustele võimaldab see keerukate organismide toimimist.

Molekuli struktuur

Vee roll raku elus on otseselt seotud selle struktuuri omadustega. Kõik teavad meie keha peamise vedeliku valemit. Igaüks neist koosneb ühest hapnikuaatomist ja kahest vesinikuaatomist. Need liidetakse polaarsuse tõttu ühtseks tervikuks, mis põhineb ühise elektronpaari moodustumisel kahe aatomi vahel. Veemolekulide iseloomulik tunnus on nende elektriline asümmeetria. Hapnikuaatom on elektronegatiivsem ja tõmbab vesinikuaatomitelt elektrone tugevamini ligi. Selle tagajärjeks on ühiste elektronide paaride nihkumine hapnikuaatomi suunas.

Dipool

Vee roll rakus oleneb sellele ainele omastest omadustest. Ühise elektronpaari nihkumise tulemusena muutub see polariseerituks. Veemolekuli iseloomustab kahe pooluse olemasolu: igal vesinikuaatomil on osaliselt positiivne laeng ja igal hapnikuaatomil on osaliselt negatiivne laeng. Koos loovad nad neutraalse molekuli.

Seega on iga vee struktuuriüksus dipool. Molekuli struktuuriomadused määravad ka naaberstruktuuride vahelise seose olemuse. Osaliselt negatiivne hapnikuaatom tõmbub teiste molekulide vesinikuaatomite poole. Nende vahel tekivad nn vesiniksidemed. Iga veemolekul püüab suhelda oma nelja naabriga sarnasel viisil. Kõik ülalnimetatud struktuuri nüansid määravad bioloogiline roll vesi puuris.

Iseärasused

Veemolekulidele iseloomulikud vesiniksidemed määravad ära paljud selle omadused. Seosed hapniku- ja vesinikuaatomite vahel on eriti tugevad, mis tähendab, et nende purustamine nõuab muljetavaldavat energiahulka. Selle tulemusena on vesi kõrge temperatuur keetmine, samuti sulamine ja aurustamine. Sarnaste ainete hulgas on vesi ainuke aine, mis Maal esineb samaaegselt kolmes agregatsiooniseisundis. Sellel omadusel põhineb ka vee roll rakus.

Koostoime hüdrofiilsete ainetega

Veeosakeste loomupärane võime moodustada vesiniksidemeid võimaldab peamisel kehavedelikul lahustada paljusid ühendeid. Selliseid aineid nimetatakse hüdrofiilseteks, st veesõbralikeks. Nende hulka kuuluvad ioonsed ühendid: soolad, alused ja happed. Hüdrofiilsed ained hõlmavad ka mitteioonseid ühendeid, millel on polaarsus. Nende molekulid sisaldavad laetud rühmi. Need on aminohapped, suhkrud, lihtalkoholid ja mõned muud ühendid.
Vee roll raku elus taandub kõigi reaktsioonide kiirendamiseks vajaliku keskkonna loomisele. Lahus on aine olek, milles kõik selle molekulid saavad palju vabamalt liikuda, see tähendab, et reaktsioonivõime muutub palju suuremaks kui nende tavapärasel kujul.

Tänu nendele omadustele on veest saanud enamiku keemiliste reaktsioonide peamine keskkond. Veelgi enam, näiteks hüdrolüüs ja kogu redoksprotsesside komplekt viiakse läbi ainult peamise rakuvedeliku otsesel osalusel.

Reaktiiv

Vee tohutu roll raku elus on vaieldamatu. Ta osaleb kõigis olulistes protsessides. Näiteks on vesi vajalik fotosünteesiks. Üks selle etappidest, vee fotolüüs, hõlmab vesinikuaatomite eraldamist ja nende kaasamist saadud ahelasse. orgaanilised ühendid. Sel juhul vabaneb hapnik atmosfääri.

Inimesi ja loomi seostatakse juba mainitud hüdrolüüsiga, ainete hävitamisega vee lisamisega. Üks olulisemaid sedalaadi reaktsioone rakus on ATP molekuli lagunemine, mis toimub koos energia vabanemisega, mida kasutatakse muudeks elutähtsateks protsessideks.

Koostoime hüdrofoobsete ainetega

Mõned valgud, samuti rasvad ja nukleiinhapped ei lahustu vees üldse või on see protsess väga raske. Selliseid aineid nimetatakse hüdrofoobseteks, see tähendab, et nad kardavad vett. Vee roll rakus ja kehas on seotud ka selle vastasmõjuga sarnaste ühenditega.

Veemolekulid on võimelised vedelikust endast eralduma. Selle tulemusena moodustuvad nn liidesed. Nendel toimub palju keemilisi reaktsioone. Seega moodustub lipiidide kaksikkiht tänu rakumembraani moodustavate fosfolipiidide koosmõjule veega.

Soojusmahtuvus

Rakus seisneb tema osalemine termoregulatsioonis. üsna kõrge. See tähendab, et muljetavaldava koguse imendumisel muutub vee temperatuur vaid veidi. See omadus aitab hoida rakus püsivat temperatuuri, mis on vajalik paljude protsesside normaalseks toimumiseks ja püsiva sisekeskkonna säilitamiseks.

Ühtlane soojusjaotus

Veel üks iseloomulik tunnus vesi - soojusjuhtivus. Samuti aitab see säilitada pidevat sisekeskkonda. Vesi on võimeline üle kandma muljetavaldava koguse soojust kehapiirkonnast, kus seda on liiga palju, rakkudesse ja kudedesse, kus see puudub.

Lisaks toimub termoregulatsioon ka tänu Jahutamine toimub tänu sellele, et ühest liikudes agregatsiooni olek teises tuleb vesiniksidemed hävitada. Ja see, nagu juba mainitud, nõuab suuri energiakoguseid.

Hüdrostaatiline skelett

Vee roll raku elus ei lõpe sellega. Peamisel kehavedelikul on veel üks omadus: see praktiliselt ei suru kokku. See omadus võimaldab veel täita rakus hüdrostaatilise skeleti rolli. Vesi tekitab turgorurõhu, määrates seeläbi rakkude ja kudede sellised omadused nagu maht ja elastsus. Vee rollist rakus on selles mõttes lihtne aru saada, kui vaadata puid. Tavaline lehekuju tekib rakkude suurenenud rõhu tõttu. Sarnased näited sisse orgaaniline maailm kaal. Näiteks tuttav vorm meduus või ümarussid seda toetab ka hüdrostaatiline skelett.

Veekadu rakkude poolt põhjustab vastavalt vastupidiseid protsesse. Algab kujumuutus: lehed närbuvad, viljad kortsuvad, nahk kaotab elastsuse.

Ainete transportimisel osalemine

Vesiniksidemeid kasutades on veemolekulid võimelised ühenduma mitte ainult üksteisega, vaid ka teiste ainetega. Selle koostoime tulemusena ilmub aine, mis mängib olulist rolli ainete transportimisel organismis. Seega on kohesiooni (molekulide adhesioon mõju all ja vee puhul vesiniksidemete kaudu) tagajärjeks toitainete liikumine taimede kapillaarides. Tänu sellele samale omadusele liigub vesi mullast juurekarvade kaudu taime sisse.

Samuti muudab pindpinevusjõud loomadel ja inimestel võimalikuks kapillaarverevoolu. Vesi osaleb ainete liikumises ja lagunemissaaduste eemaldamises organismist.

Selgub, et vastus küsimusele "mis on vee roll rakus?" üsna üheselt mõistetav – see on tohutu. Tänu selle vedeliku molekulaarstruktuuri põhiomadustele on võimalikud kõik põhiprotsessid, ilma milleta pole elu mõeldav. Vesi aitab tõsta ainete reaktsioonivõimet, hoiab rakkude ja elundite kuju, osaleb nende varustamisel kõige vajalikuga ning on osa paljudest keemilistest reaktsioonidest. Vesi on elu allikas ja see pole kindlasti metafoor. Sellega on seotud kõik peamised ainevahetusprotsessid ja see on ka erinevate ühendite koostoime aluseks.

Just nende omaduste tõttu on vesi see aine, mida teiste planeetide uurimisel kõigepealt otsitakse, et mõista, kas need on eluks sobivad.

Vesi (H 2 O) on kõige olulisem anorgaaniline aine rakud. Rakus on vesi kvantitatiivselt teiste keemiliste ühendite seas esikohal. Vesi täidab erinevaid funktsioone: säilitab raku mahu, elastsuse, osaleb kõiges keemilised reaktsioonid. Kõik biokeemilised reaktsioonid toimuvad vesilahused. Mida suurem on ainevahetuse kiirus konkreetses rakus, seda rohkem vett see sisaldab.

Pane tähele!

Vesi rakus on kahel kujul: vaba ja seotud.

Tasuta vesi paiknevad rakkudevahelistes ruumides, veresoontes, vakuoolides ja elundiõõntes. See on ette nähtud ainete transportimiseks keskkond rakku ja vastupidi.
Seotud vesi on osa mõnest rakustruktuurist, paikneb valgumolekulide, membraanide, kiudude vahel ja on seotud mõne valguga.
Vesi on mitmeid omadusi, mis on eranditult oluline elusorganismide jaoks.

Vee molekuli struktuur

Vee ainulaadsed omadused määrab selle molekuli struktuur.

Üksikute veemolekulide vahel tekivad vesiniksidemed, mis määravad füüsikalise ja Keemilised omadused vesi.
Elektronide iseloomulik paigutus veemolekulis annab sellele elektrilise asümmeetria. Mida elektronegatiivsem hapnikuaatom tõmbab vesinikuaatomite elektrone tugevamalt ligi, mille tulemuseks on veemolekul dipool(on polaarsus). Mõlemal kahel vesinikuaatomil on osaliselt positiivne laeng ja hapnikuaatomil on osaliselt negatiivne laeng.

Ühe veemolekuli hapnikuaatomi osaliselt negatiivset laengut tõmbavad ligi teiste molekulide osaliselt positiivsed vesinikuaatomid. Seega kipub iga veemolekul ühenduma vesinikside nelja naabervee molekuliga.

Vee omadused

Kuna veemolekulid on polaarsed, on vee omadus lahustada teiste ainete polaarseid molekule.
Vees lahustuvaid aineid nimetatakse hüdrofiilsed(soolad, suhkrud, lihtalkoholid, aminohapped, anorgaanilised happed). Kui aine lahustub, saavad selle molekulid või ioonid vabamalt liikuda ja seetõttu suureneb aine reaktsioonivõime.

Vees lahustumatud aineid nimetatakse hüdrofoobne(rasvad, nukleiinhapped, mõned valgud). Sellised ained võivad moodustada veega liideseid, kus toimuvad paljud keemilised reaktsioonid. Seetõttu on elusorganismide jaoks väga oluline ka asjaolu, et vesi ei lahusta mõnda ainet.

Vesi on kõrge spetsiifilisusega soojusmahtuvus, st. võime absorbeerida soojusenergia minimaalse temperatuuri tõusuga. Veemolekulide vaheliste arvukate vesiniksidemete purustamiseks on vaja neelduda suur hulk energiat. See vee omadus tagab hoolduse soojusbilanss organismis. Vee suur soojusmahtuvus kaitseb kehakudesid kiire ja tugeva temperatuuritõusu eest.
Vee aurustamiseks kulub üsna palju energiat. Märkimisväärse energiahulga kasutamine vesiniksidemete lõhkumiseks aurustumisel aitab seda jahutada. See vee omadus kaitseb keha ülekuumenemise eest.

Näide:

Selle näiteks on transpiratsioon taimedes ja higistamine loomadel.

Vesi on ka kõrge soojusjuhtivusega, tagades soojuse ühtlase jaotumise kogu kehas.

Pane tähele!

Kõrge erisoojusvõimsus ja kõrge soojusjuhtivus muudab vee ideaalseks vedelikuks rakkude ja organismide termilise tasakaalu säilitamiseks.

Vesi praktiliselt ei kahane, luues turgorirõhu, määrates rakkude ja kudede mahu ja elastsuse.

Näide:

Hüdrostaatiline skelett säilitab kuju ümarussides, meduusides ja teistes organismides.

Tänu molekulide adhesiivsetele jõududele tekib vee pinnale kile, millel on selline omadus nagu pindpinevus.

Näide:

Pindpinevusjõu mõjul tekib taimedes kapillaarverevool, lahuste tõusev ja laskuv vool.

Vee füsioloogiliselt oluliste omaduste hulgas on selle võime gaase lahustada(O 2, CO 2 jne).

Vesi on ka hapniku ja vesiniku allikas, mis vabanevad fotolüüsi käigus fotosünteesi valgusfaasis.

Vee bioloogilised funktsioonid

• Vesi tagab ainete liikumise rakus ja kehas, ainete omastamise ja ainevahetusproduktide eemaldamise. Looduses kannab vesi jääkaineid pinnasesse ja veekogudesse.
• Vesi on metaboolsetes reaktsioonides aktiivne osaleja.
• Vesi osaleb määrdevedelike ja lima, eritiste ja mahlade moodustumisel kehas (neid vedelikke leidub selgroogsete liigestes, pleuraõõnes, perikardikotis).
• Vesi on osa limast, mis hõlbustab ainete liikumist läbi soolte ja loob limaskestadele niiske keskkonna. hingamisteed. Veepõhised on ka osade näärmete ja elundite eritatavad eritised: sülg, pisarad, sapp, sperma jne.

Kõrge veesisaldus rakus - kõige olulisem tingimus tema tegevust. Enamiku vee kadumisega sureb palju organisme ning hulk üherakulisi ja ühtlaseid organisme mitmerakulised organismid kaotab ajutiselt kõik elumärgid. Seda olekut nimetatakse peatatud animatsiooniks. Pärast hüdratatsiooni rakud ärkavad ja muutuvad taas aktiivseks.

Vee molekul on elektriliselt neutraalne. Aga elektrilaeng molekuli sees jaotub see ebaühtlaselt: vesinikuaatomite (täpsemalt prootonite) piirkonnas on ülekaalus positiivne laeng, piirkonnas, kus asub hapnik, on tihedus suurem negatiivne laeng. Seetõttu on veeosake dipool. Veemolekuli dipoolomadus seletab selle orienteerumisvõimet elektriväli, kinnituvad erinevatele molekulidele ja molekulide osadele, mis kannavad laengut. Selle tulemusena moodustuvad hüdraadid. Vee võime moodustada hüdraate on tingitud selle universaalsetest lahustiomadustest. Kui veemolekulide külgetõmbeenergia aine molekulide suhtes on suurem kui veemolekulide vaheline tõmbeenergia, siis aine lahustub. Sõltuvalt sellest eristatakse hüdrofiilseid (kreeka keeles hydros - vesi ja phileo - armastus) aineid, mis lahustuvad hästi vees (näiteks soolad, leelised, happed jne) ja hüdrofoobseid (kreeka keeles hydros - vesi ja fobos). - hirmu) ained, mis on vees raskesti või üldse mitte lahustuvad (rasvad, rasvataolised ained, kumm jne). osa rakumembraanid hõlmab rasvataolisi aineid, mis piiravad üleminekut väliskeskkonnast rakkudesse ja tagasi, samuti ühest rakuosast teise.

Enamik rakus toimuvaid reaktsioone saab toimuda ainult vesilahuses. Vesi on paljudes reaktsioonides otsene osaline. Näiteks valkude, süsivesikute ja muude ainete lagunemine toimub ensüümide poolt katalüüsitud koosmõjul veega. Selliseid reaktsioone nimetatakse hüdrolüüsireaktsioonideks (kreeka keeles hydros – vesi ja lüüs – lõhenemine).

Vesi on suure soojusmahtuvuse ja samal ajal suhteliselt kõrge vedelike soojusjuhtivusega. Need omadused muudavad vee ideaalseks vedelikuks rakkude ja organismide termilise tasakaalu säilitamiseks.

Vesi on raku biokeemiliste reaktsioonide peamine keskkond. See on fotosünteesi käigus vabaneva hapniku ja vesiniku allikas, mida kasutatakse assimilatsiooniproduktide taastamiseks süsinikdioksiid. Ja lõpuks, vesi on peamine ainete transpordivahend kehas (vere- ja lümfivool, lahuste tõusev ja laskuv vool läbi taimede anumate) ja rakus.

Kõik rakus sisalduvad ühendid pole elusloodusele omased. Sellised ained nagu vesi või soolad on laialt levinud väljaspool elusolendeid. Kuid organismides ja nende elutegevuse saadustes on juba ammu avastatud suur hulk süsinikku sisaldavaid aineid, mis on iseloomulikud ainult elusrakkudele ja organismidele ning mida seetõttu nimetatakse "orgaanilisteks aineteks".

Vesi on elussüsteemides kõige levinum ühend. Kuid veesisaldus on väga erinev: alates 10% (hambaemail), 20% ( luu), kuni 85% (inimese aju), kuivades seemnetes 10-12%, meduusides 95-98%, s.o. kogu keha koosneb sisuliselt veest. 20% vee kadu põhjustab rakusurma või peatab animatsiooni.

Vee omadused on ainulaadsed, s.t. üheski teises ühendis neid pole. See on tingitud selle molekulide ehitusest: üks hapnikuaatom on tugeva kovalentse sidemega ühendatud kahe vesinikuaatomiga, s.t. H2O on väga lihtne ühend. Vesinikuaatomid on hapnikuga seotud 104,5 0 nurga all.

Joonis 1. Vee molekuli struktuur.

Iseärasused füüsikalised omadused vesi on seotud selle molekuli struktuuri ja molekulidevahelise interaktsiooni omadustega. Elektrontiheduse jaotus veemolekulis on selline (joonis 1, b, c), et tekib 4 laengupoolust: 2 positiivset, mis on seotud vesinikuaatomitega ja 2 negatiivset, mis on seotud hapniku elektronide elektronpilvedega. aatom. Näidatud 4 laengupoolust asuvad tetraeedri tippudes (joonis 1, d). Tänu sellele on veemolekul dipool ja neli laengupoolust võimaldavad igal molekulil moodustada neli vesiniksidet naabermolekulidega (samade) molekulidega. Selle tulemusena moodustuvad klastrid (välkkülmutatuna näevad need välja nagu ilusad lumehelbed, joon. 2.).

Joonis 2. Veekogumi moodustumine.

Moodustuvad klastrid töötavad "vee struktuur". Vesiniksidemed on nõrgad, 15-20 korda nõrgemad kui kovalentsed sidemed. Seetõttu katkevad mõned ühendused kergesti, teised aga tekivad. Selle tulemusena on molekulid väga liikuvad. Kõik välised muutused (temperatuur, rõhk jne) muudavad seda tööstruktuuri. Seega on vesi kõrge tundlikkuse ja mäluga.

Veemolekulid võivad kinnituda molekulidele, mis kannavad elektroonilist laengut, mille tulemusena moodustuvad hüdraadid. Kui veemolekulide vaheline tõmbejõud on väiksem kui vee tõmbejõud aine molekulide suhtes, siis aine lahustub.

Vee omadused ja funktsioonid.

1. Ühendab kõiki elavaid ja elutu loodus planeedil. Vesi on liikuv, muutlik, kuid ei muutu keemiline koostis molekulid, vaid klastri struktuur.

2. Vesi on universaalne lahusti. Polaarsuse tõttu pole tal selles võrdset: vees lahustub rohkem aineid kui üheski teises vedelikus. Ained sisenevad rakku ja väljuvad rakust ainult lahustunud kujul.

3. Seoses veega jaotatakse rakus olevad ained kahte rühma:

a) hüdrofoobne (fobos - hirm, õudus): vees lahustumatu (rasvad, polüsahhariidid jne)

b) hüdrofiilne (fileon – armastus): vees lahustuv (mineraalsoolad, happed, monosahhariidid jne)

Tänu sellele vee omadusele (hüdrofoobse interaktsiooni tõttu) kogutakse rakku:

1) bioloogilised membraanid,

2) valgud ja DNA võtavad spiraali kuju.

4. Vett iseloomustab suur soojusmahtuvus (st kulub palju energiat vee temperatuuri tõstmiseks ja vesiniksidemete lõhkumiseks). Seega on vee keemistemperatuur 100 0 C ja alkoholil 70 0 C.

5. Kõrge soojusjuhtivus. Tänu sellele omadusele säilib rakus ja kehas termiline tasakaal.

6. Vesi ise osaleb keemilise ühendina paljudes keemilistes reaktsioonides. Näiteks tekivad hüdrolüüsireaktsioonid vee lisamise tõttu.

7. See on fotosünteesi (vee fotolüüsi) käigus O 2 ja H + allikas.

8. Vesi on peamine ainete transportimise vahend rakus (difusioon) ja kehas (vere- ja lümfivood, interstitsiaalne vedelik, mis sisaldab toitaineid, O 2 ja CO 2, hormoonid, ained, mis lülitavad geene sisse ja välja). See on transpordifunktsioon.

9. Annab rakkude mahu ja elastsuse: turgor ja osmootne rõhk, säilitab rakkude ja organismide kuju (hüdroskelett ümmargused ja anneliidid).

10. Väetuskeskkond.

11. Veeorganismide elukeskkond.

12. Sööde loomaembrüote arendamiseks (amnionis).

13. Osaleb määrdevedelike moodustamisel liigestes, pleuraõõnes ja perikardi kottis.

14. Moodustab lima, mis tagab ainete liikumise läbi soolestiku, limaskestadele niiske keskkonna (aevastamine, köhimine).

15. Osaleb eritiste (sülg, pisarad, sapp, sperma ja soolad organismis) moodustamisel.

16. Vesi on meie planeedi elu piirav tegur. Kus on vett, seal on elu, kus pole vett, seal pole elu.

Väga väheste eranditega (luu- ja hambaemail) on rakus domineeriv komponent vesi. Vesi on vajalik rakkude ainevahetuseks, kuna füsioloogilised protsessid toimuvad eranditult rakkudes veekeskkond. Veemolekulid osalevad paljudes raku ensümaatilistes reaktsioonides. Näiteks valkude, süsivesikute ja muude ainete lagunemine toimub ensüümide poolt katalüüsitud koosmõjul veega. Selliseid reaktsioone nimetatakse reaktsioonideks hüdrolüüs.

Vesi toimib fotosünteesi ajal vesinikuioonide allikana. Vesi rakus on kahel kujul: vaba ja seotud.

Vabavesi moodustab 95% kogu veest rakus ja seda kasutatakse peamiselt lahustina ja protoplasma kolloidsüsteemi dispersioonikeskkonnana.

Seotud vesi, mis moodustab ainult 4% kogu veest rakus, on vesiniksidemetega lõdvalt seotud valkudega.

Veemolekuli polaarsus. Asümmeetrilise laengujaotuse tõttu toimib veemolekul kui dipool ja seetõttu võivad seda siduda nii positiivselt kui ka negatiivselt laetud valgurühmad. Veemolekuli dipoolomadus seletab selle võimet orienteeruda elektriväljas ja kinnituda erinevate molekulide ja molekulide osadega, mis kannavad laengut. Selle tulemusena moodustuvad hüdraadid.

Soojusmahtuvus. Tänu suurele soojusmahtuvusele neelab vesi soojust ja hoiab seeläbi ära äkilised temperatuurikõikumised rakus.

Vee transpordifunktsioon. Vesi- peamised vahendid ainete liigutamiseks kehas (verevool, lümf, lahuste tõusev ja laskuv vool läbi taimede veresoonte) ja rakus.

Vesi on nagu määrdeaine. Vesi toimib "määrdeainena", mis on vajalik kõikjal, kus on hõõrduvaid pindu (näiteks liigendites).

Vee maksimaalne tihedus on 4 °C. Seetõttu on väiksema tihedusega jää veest kergem ja hõljub selle pinnal, mis kaitseb reservuaari külmumise eest. See vee omadus päästab paljude veeorganismide elusid.