Вода и её роль в жизнедеятельности клетки
1. Вода. Общее значение
Вода является одним из самых распространенных веществ на нашей планете. Для многих живых организмов вода важна вдвойне, т.к. она не только входит в состав их клеток, но и является средой обитания (рис. 1).
Рис. 1. Вода, как среда обитания. Часть кораллового рифа
В клетке в количественном отношении, вода занимает первое место среди всех химических соединений.
Вода в организме бывает свободной и связанной.
Свободная вода входит в состав цитоплазмы клетки, вакуоли; заполняет межклеточное пространство, сосуды, пространство между органами, - она нужна для транспорта и переноса веществ.
Связанная вода входит в состав клеточных структур (белков, мембран) и поддерживает их структуру.
Вода имеет ряд свойств, исключительно важных для живых организмов. Уникальные свойства воды определяются структурой её молекулы.
2. Молекула воды
Молекула воды состоит из атома кислорода и двух атомов водорода.
Атом кислорода как более электроотрицательный, чем атомы водорода, оттягивает электронную плотность на себя. В результате она смещается в его сторону, и на атомах водорода возникает частично положительный заряд, а на атоме кислорода частично отрицательный заряд.
Так как атомы в молекуле воды образуют угол (рис. 2), один конец молекулы воды несет положительный заряд, а другой – отрицательный. Такую молекулу называют диполем (рис. 2), или полярной молекулой.
Рис. 2. Распределение заряда в молекуле воды
3. Водородная связь
Частичный положительный заряд атома водорода одной молекулы взаимодействует с частичным отрицательным зарядом атома кислорода другой молекулы. Между ними возникает электростатическое взаимодействие, и образуются водородные связи. Водородные связи слабые, но в воде их достаточно много, поэтому уникальные свойства воды как раз и определяется наличием водородных связей в воде.
Рис. 3. Схема образования водородной связи между разноименно заряженными атомами в двух молекулах воды
Учитывая данную способность воды, рассмотрим те свойств воды, которые важны с биологической точки зрения.
4. Биологически важные свойства воды
Вода - универсальный растворитель. Она превосходный растворитель для полярных соединений. К ним относятся ионные соединения, такие как соли, у которых заряженные частицы, ионы, диссоциируют, то есть отделяются друг от друга в воде, когда вещество растворяется.
Рис. 4. Растворение полярного вещества в овде. Образование ионов с гидратной оболочкой
А также соединения, например, сахара и простые спирты, в молекулах которых присутствуют заряженные группы, то есть эти вещества имеют функциональные группы для взаимодействия с водой (рис. 4).
Рис. 5. Гидролиз сахарозы в воде
В растворе молекулы или ионы вещества начинают быстрее двигаться, и реакционная способность этого вещества возрастает. Все биохимические процессы проходят в водных растворах.
Полярные вещества «липиды» не смешиваются с водой, и поэтому могут разделять водные растворы на отдельные компартменты. Неполярные части молекул отталкиваются водой, и в ее присутствии притягиваются друг к другу.
Неполярные молекулы взаимодействуют с водой по-другому – они собираются в капли, образуют пленки. Такие вещества называют гидрофобными.
Рис. 6. Масло - вещество, которое не растворяется в воде – на поверхности воды оно образует пленки (слева) или собирается в капли (справа)
Подобные гидрофобные взаимодействия играют важную роль в обеспечении стабильности молекул субклеточных структур, а также белков и нуклеиновых кислот.
Вода обладает большой теплоёмкостью. То есть поглощает большое количество тепловой энергии при минимальном повышении собственной температуры.
Это достигается за счёт того, что большое количество энергии тратится на разрыв водородных связей. Большая теплоёмкость воды защищает организмы от перегрева. И кроме этого создает постоянные условия для протекания биохимических процессов в организме.
Вода обладает большой теплопроводностью, что обеспечит равномерное распределение тепла по всему организму. За счёт этого, биохимические процессы и все процессы жизнедеятельности проходят в относительно постоянных условиях.
У воды относительно большая теплота испарения. Испарение воды сопровождается охлаждение организма, потому что большое количество энергии тратится на разрыв водородных связей, и эта энергия черпается из окружающей среды.
Вода практически не сжимается, создавая тем самым тургорное давление, определяя объем и упругость клеток и тканей. Например, благодаря этому наша кожа упруга, а у круглых червей и медуз имеется гидростатический скелет.
Вода характеризуется большим поверхностным натяжением, что связано с образованием водородных связей между молекулами воды и другими соединениями.
Рис. 7. Использование поверхностного натяжения живыми организмами. Водомерка бежит по воде (слева). Кровь движется по капилляру (справа)
Благодаря силе поверхностного натяжения воды происходит капиллярный кровоток в нашем организме, восходящий и нисходящий токи воды в теле растений. Многие мелкие организмы извлекают для себя пользу из этого поверхностного натяжения, оно позволяет им удерживаться на воде или скользить по её поверхности.
Рис. 8. Основные биологически важные свойства воды
Таким образом, мы рассмотрели структуру и свойства воды.
Значение потоотделения
Потоотделение – это выделение жидкого секрета на поверхность кожи. Вместе с потом выделяются такие вещества, как аминокислоты, мыла, жирные кислоты, аммиак, холестерин – вещества, которые являются продуктами жизнедеятельности живых организмов. Также с потом могут выделяться ионы тяжелых металлов, которые случайно попали в организм
Состав пота на разных участках человеческого тела не одинаков, и зависит от разных факторов: от состояния организма, от типа питания, от действия других факторов (например, влажности среды, температуры среды), а также от физических нагрузок.
Различают термическое и психогенное потоотделение.
Рис. 9. Виды потоотделения
Термическое потоотделение, зависит от температуры окружающей среды, является одним из механизмов терморегуляции, то есть спасает наш организм от перегрева. Термическое потоотделение развивается в течении нескольких минут.
Психогенное потоотделение зависит от эмоционального состояния.
Психогенное потоотделение может развиваться на разных участках тела человека, это могут быть даже подошвы ног, подушки пальцев; и развивается в течении нескольких секунд.
Плотность воды и поведение её вблизи точки замерзания
Плотность воды максимально при +4оС. Она уменьшается от +4 до 0, то есть лёд менее плотный (а значит более легкий), чем вода.
Рис. 10. Лед, плавающий по поверхности воды (слева), и организмы, живущие подо льдом (справа)
Это имеет большое значение для живых организмов, обитающих в воде, потому что водоемы замерзают сверху, и многие организмы сохраняют в них жизнеспособность подо льдом.
Если бы водоемы замерзали бы снизу, от дна, тогда бы все эти живые организмы погибли бы зимой.