Всем известно, что вода играет одну из самых ключевых ролей в жизнедеятельности человека и что без неё жизнь на Земле немыслима. Познавая мир и изучая различные науки, люди узнают, какова биологическая роль воды в клетке и настолько вода важна для функционирования любых организмов.
Вода (молекулярная формула Н2О) является самым распространённым веществом на земле. Она содержится практически везде в разных количествах. Например, в зубной эмали она занимает 10 %, а вот в развивающемся зародыше – больше 90 %. В человеческом теле содержится приблизительно 65% воды. Особенно насыщены ею ткани молодых организмов.
Так, в теле младенца содержится 70% жидкости. Существует даже гипотеза, согласно которой причиной старения считается неспособность белков в организме связывать большие объёмы воды. Все человеческие ткани и органы содержат жидкость. Даже в костях её наличие составляет приблизительно 20 %, а в мозге, печени и мышцах эта цифра увеличивается до 80%.
Одним из основных признаков жизни является обмен веществ. Все виды обмена – белковый, углеводный, жировой и другие – включают также и водный. Его суть заключается в процессе всасывания жидкости в кишечнике и желудке с последующим распределением её в тканях организма и выделением при помощи почек, кожи и лёгких.
Живые ткани состоят из клеток и межклеточных веществ, представляющих собой достаточно сложную систему, и в отдельных их частях содержится вода. Ведь она является отличным растворителем для большинства живых веществ, из которых состоит живой организм.
Благодаря ей во время водного обмена происходит процесс терморегуляции. Также с водой уходят ненужные и вредные продукты обмена.
Из вышесказанного можно сделать вывод, какова роль воды в клетке:
- Поддерживается упругость клетки. При потере клеткой жидкости, например, могут высохнуть плоды или завянут листья.
- Происходит перемещение веществ, в том числе удаляются ненужные элементы.
- Обеспечивается ускорение химических реакций благодаря растворению веществ в жидкости.
- Происходит растворение солей и сахаров.
- Благодаря способности воды медленно нагреваться и остывать она участвует в терморегуляции.
Свободная и связанная вода
Роль воды в жизни клетки, пожалуй, сложно переоценить. Причём при большей интенсивности обмена веществ количество жидкости увеличивается. Вода в клетке может быть связанной или свободной. Последняя содержится в вакуолях, пространствах между клетками, полостях различных органов, сосудах. Она необходима для того, чтобы переносить вещества в клетку и из неё во внешнюю среду.
Благодаря тому, что электроны в данной молекуле располагаются необычно, в ней существует некая электрическая асимметрия. Поскольку кислород является более электроотрицательным, он сильнее притягивает водород.
Вода как растворитель
Благодаря полярности молекул, а также их способности к созданию водородных связей, вода оказывается очень хорошим растворителем ионных соединений, например, солей или кислот. Также неплохо растворяются в жидкости неионные (однако полярные) соединения. К таким относятся вещества, в молекулах которых содержатся заряженные (полярные) группы, – например, спирты, сахара либо аминокислоты.
Вода - самое распространенное соединение в живых системах. Но содержание воды колеблется в широких пределах: от 10% (эмаль зубов), 20% (костная ткань), до 85% (головной мозг человека), в сухих семенах 10-12%, у медузы 95-98%, т.е. весь организм по существу состоит из воды. Потеря 20% воды приводит к гибели клетки или анабиозу.
Свойства воды уникальны, т.е. ни одно другое соединение не обладает ими. Это обусловлено строением ее молекул: один атом кислорода связан прочной ковалентной связью с двумя атомами водорода, т.е. Н 2 О – очень простое соединение. Атомы водорода присоединены к кислороду под углом 104,5 0 .
Рис.1. Строение молекулы воды.
Особенности физических свойств воды связаны со структурой её молекулы и особенностями межмолекулярных взаимодействий. Распределение электронной плотности в молекуле воды таково (рис.1, б, в), что создаются 4 полюса зарядов: 2 положительных, связанных с атомами водорода, и 2 отрицательных, связанных с электронными облаками электронов атома кислорода. Указанные 4 полюса зарядов располагаются в вершинах тетраэдра (рис. 1, г). Благодаря этому молекула воды дипольна, а четыре полюса зарядов позволяют каждой молекуле образовать четыре водородные связи с соседними (такими же) молекулами. В результате образуются кластеры (при мгновенном замораживании они похожи на красивые снежинки, рис.2.).
Рис.2. Образование кластера воды.
Кластеры образуют рабочую «структуру воды». Водородные связи слабые, в 15-20 раз слабее ковалентных. Поэтому одни связи легко рвутся, другие возникают. Вследствие этого молекулы очень подвижны. Любые внешние изменения (температуры, давления и т.д.) меняют эту рабочую структуру. Таким образом, вода обладает высокой чувствительностью и памятью.
Молекулы воды могут присоединяться к молекулам, несущим электронный заряд, в результате образуются гидраты. Если сила притяжения между молекулами воды меньше, чем притяжение воды к молекулам вещества – вещество растворяется.
Свойства и функции воды.
1. Связывает в единую систему всю живую и неживую природу на планете. Вода подвижна, изменчива, но меняется не химический состав молекул, а структура кластера.
2. Вода - универсальный растворитель. Из-за полярности она не имеет в этом себе равных: в воде растворяется больше веществ, чем в каких-либо других жидкостях. Вещества в клетку поступают и выводятся только в растворенном виде.
3. По отношению к воде вещества в клетке делятся на 2 группы:
а) гидрофобные (fobos – страх, ужас): нерастворимы в воде (жиры, полисахариды и др.)
б) гидрофильные (fileon – люблю): растворимы в воде (минеральные соли, кислоты, моносахариды и др.)
Благодаря этому свойству воды (за счет гидрофобных взаимодействий) в клетке собираются:
1) биологические мембраны,
2) белки и ДНК принимают форму спирали.
4. Для воды характерна высокая теплоемкость (т.е. чтобы поднять температуру воды и разорвать водородные связи требуется много энергии). Так температура кипения воды 100 0 С, а у спирта 70 0 С.
5. Высокая теплопроводность. Благодаря этому свойству в клетке и организме поддерживается тепловое равновесие.
6. Вода сама как химическое соединение участвует во многих химических реакциях. Например, реакции гидролиза идут за счет присоединения воды.
7. Является источником О 2 и Н + при фотосинтезе (фотолиз воды).
8. Вода – основная среда для транспорта веществ в клетке (диффузия) и организме (токи крови и лимфы, межтканевой жидкости, содержащими питательные вещества, О 2 и СО 2 , гормоны, вещества, включающие и выключающие работу генов). Это транспортная функция.
9. Обеспечивает объем и упругость клетки: тургорное и осмотическое давление, сохраняет форму клеток и организмов (гидроскелет у круглых и кольчатых червей).
10. Среда для оплодотворения.
11. Среда для жизни водных организмов.
12. Среда для развития зародышей животных (в амнионе).
13. Участвует в образовании смазочных жидкостей в суставах, плевральной полости, околосердечной сумке.
14. Образует слизи, обеспечивающие передвижение веществ по кишечнику, влажную среду на слизистых оболочках (чихание, кашель).
15. Участвует в образовании секретов (слюна, слезы, желчь, сперма и соли в организме).
16. Вода - лимитирующий фактор жизни на нашей планете. Всюду, где есть вода, есть жизнь, где нет воды – там нет жизни.
Свойства воды и ее роль в клетке:
На первом месте среди веществ клетки стоит вода. Она составляет около 80% массы клетки. Вода важна для живых организмов вдвойне, ибо она необходима не только как компонент клеток, но для многих и как среда обитания.
1. Вода определяет физические свойства клетки - ее объем, упругость.
2. Многие химические процессы протекают только в водном растворе.
3. Вода - хороший растворитель: многие вещества поступают в клетку из внешней среды в водном растворе, и в водном же растворе отработанные продукты выводятся из клетки.
4. Вода обладает высокой теплоемкостью и теплопроводностью.
5. Вода обладает уникальным свойством: при охлаждении ее от +4 до 0 градусов, она расширяется. Поэтому лед оказывается легче жидкой воды и остается на ее поверхности. Это очень важно для организмов, обитающих в водной среде.
6. Вода может быть хорошим смазочным материалом.
Биологическая роль воды определяется малыми размерами ее молекул, их полярностью и способностью соединяться друг с другом водородными связями.
Биологические функции воды:
транспортная. Вода обеспечивает передвижение веществ в клетке и организме, поглощение веществ и выведение продуктов метаболизма. В природе вода переносит продукты жизнедеятельности в почвы и к водоемам.
метаболическая. Вода является средой для всех биохимических реакций, донором электронов при фотосинтезе; она необходима для гидролиза макромолекул до их мономеров.
вода участвует в образовании смазывающих жидкостей и слизей, секретов и соков в организме.
За очень немногими исключениями (кость и эмаль зуба), вода является преобладающим компонентом клетки. Вода необходима для метаболизма (обмена) клетки, так как физиологические процессы происходят исключительно в водной среде. Молекулы воды участвуют во многих ферментативных реакциях клетки. Например, расщепление белков, углеводов и других веществ происходит в результате катализируемого ферментами взаимодействия их с водой. Такие реакции называются реакциями гидролиза.
Вода служит источником ионов водорода при фотосинтезе. Вода в клетке находится в двух формах: свободной и связанной. Свободная вода составляет 95% всей воды в клетке и используется главным образом как растворитель и как дисперсионная среда коллоидной системы протоплазмы. Связанная вода, на долю которой приходится всего 4% всей воды клетки, непрочно соединена с белками водородными связями.
Из-за асимметричного распределения зарядов молекула воды действует как диполь и потому может быть связана как положительно, так и отрицательно заряженными группами белка. Дипольным свойством молекулы воды объясняется способность ее ориентироваться в электрическом поле, присоединяться к различным молекулам и участкам молекул, несущим заряд. В результате этого образуются гидраты
Благодаря своей высокой теплоемкости вода поглощает тепло и тем самым предотвращает резкие колебания температуры в клетке. Содержание воды в организме зависит от его возраста и метаболической активности. Оно наиболее высоко в эмбрионе (90%) и с возрастом постепенно уменьшается. Содержание воды в различных тканях варьируется в зависимости от их метаболической активности. Например, в сером веществе мозга воды до 80%, а в костях до 20%. Вода - основное средство перемещения веществ в организме (ток крови, лимфы, восходящие и нисходящие токи растворов по сосудам у растений) и в клетке. Вода служит «смазочным» материалом, необходимым везде, где есть трущиеся поверхности (например, в суставах). Вода имеет максимальную плотность при 4°С. Поэтому лед, обладающий меньшей плотностью, легче воды и плавает на ее поверхности, что защищает водоем от промерзания. Это свойство воды спасает жизнь многим водным организмам.
Вода - это уникальное вещество. Оно распространено везде на нашей планете. Попробуйте представить, какой была бы наша жизнь без молекулы Н2О? Да и представлять нечего - жизни на нашей планете не было бы. Человек на 70% состоит из воды. Чем моложе организм, тем больше ее он содержит, а с возрастом это количество уменьшается. Для примера возьмем зародыш - в нем процентное содержание Н2О составляет 90%.
В статье мы предлагаем вам выделить все в клетке и подробно рассмотреть каждую. Важно упомянуть, что она там содержится в двух формах: свободной и связанной. Мы с этим столкнемся немного позже.
Вода
Каждый и сам знает, что вода играет очень важную, а точнее, ключевую роль в нашей жизни. Без нее наша планета была бы мертвой, безжизненной пустыней. Ученые и по сей день изучают воду и ее роль в организме человека.
Мы уже говорили о том, что вода встречается в наших клетках в свободной и связанной форме. Первая служит для распространения веществ - для переноса их внутрь клетки и из нее. А последняя наблюдается:
- между волокон;
- мембран;
- белковых молекул;
- клеточных структур.
И свободная, и связанная вода в клетке обязательно выполняет какие-то функции, о которых мы скажем позже. А сейчас - пару слов о том, как организована сама молекула Н2О.
Молекула
Для начала, обозначим молекулярную формулу воды: Н2О. Это очень распространенное вещество на планете, и вам стоит запомнить ее, ведь молекулярная формула воды встречается довольно часто в разных областях знаний. Она, кстати, содержится во всех органах человека, даже в зубной эмали и костях, правда, там ее процентное соотношение очень мало - 10% и 20%, соответственно.
Как мы уже говорили, чем организм моложе, тем воды в нем больше. Ученые предположили, что мы стареем из-за того, что белок не может связать большое количество воды. Но это, правда, только гипотеза.
Функции
Теперь выделим большее их количество ясно из приведенного далее списка:
- Н2О может выступать в роли растворителя, так как практически все химические реакции - ионные - и происходят в воде. Следует отметить, что существуют вещества гидрофильные (которые растворяются, например, спирт, сахар, аминокислоты и так далее), но встречаются и гидрофобные (жирные кислоты, целлюлоза и другие).
- Вода может выступать реагентом.
- Выполняет транспортную, терморегулирующую и структурную функцию.
Предлагаем каждую из них рассмотреть отдельно. Будем идти по порядку, первая в нашем списке - это функция растворителя.
Растворитель
Функции воды в клетке многочисленны, но одна из самых важных - это помощь в протекании множества реакций. Молекула Н2О может выступать в роли растворителя. Практически все реакции, протекающие в клетке - это ионные, то есть среда, в которой они могут проходить - это вода.
Реагент
Следующие функции воды в клетке - это ее участие в химических рекациях, проходящих в организме в качестве реагента. К таким можно отнести:
- гидролиз;
- полимеризацию;
- фотосинтез и так далее.
Теперь немного о том, В химии так называют вещество, участвующее в некоторых химических реакциях. Самое важное - это то, что оно хоть и участвует в реакции, но объектом обработки при этом не является. Реагенты в лаборатории (по-другому еще их называют реактивами) - это довольно распространенное явление.
Вода, как реагент, участвует при составлении других нужных организму веществ.
Транспортная функция
Почему мы живем? Наш организм существует только благодаря тому, что живы клетки, из которых он состоит. А им стоит благодарить свою уникальную структуру и некоторые возможности молекулы Н2О. Мы уже упоминали то, что вода - это неотъемлемая часть нашего организма, и каждая клетка содержит в себе эти уникальные молекулы, а точнее, находится на первом месте в ее составе.
Транспортная функция воды в клетке - это еще одно предназначение Н2О в нашем организме. Вода обладает некоторой особенностью - проникновение в межклеточное пространство, благодаря этому питательные вещества попадают в клетку.
Еще стоит знать, что кровь и лимфа так же содержит воду, а ее нехватка приводит к некоторым последствиям: кровоизлияниям или тромбозу.
Терморегуляция
Какие функции воды в клетке мы еще не разобрали? Конечно, терморегуляцию. Мы говорили, что вода способна поглощать тепло и долгое время его сохранять. Таким образом, Н2О может уберегать клетку от переохлаждения или перегрева. Функция терморегуляции нужна не только для отдельных клеток, но и для всего организма в целом.
Структурная функция
Мы уже перечислили, осталось разобрать еще одно предназначение - это поддержание структуры клеток.
Вы когда-нибудь пробовали сжимать воду в жидком состоянии? Даже в лабораторных условиях этого добиться крайне тяжело. Данное свойство воды необходимо для того, чтобы поддерживать форму и структуру каждой клетки.
Запомните навсегда: без воды жизнь невозможна. Мы испытываем жажду, когда организм теряет порядка 3% воды, а при потере 20%, клетки гибнут, а, следовательно, и человек тоже. Следите за тем, сколько воды вы выпиваете.
Буквально с самого детства каждый человек знает, что вода для нас играет очень важную роль. Гигиена, уборка, питье — каждый из этих неотъемлемых элементов жизни связан с водой. Постепенно изучая мир, ребенок узнает и о том, какова роль воды в клетке. Пожалуй, только с этого момента становится понятным, насколько велико ее значение: без воды немыслима сама жизнь. Благодаря своим свойствам она делает возможным функционирование сложных организмов.
Строение молекулы
Роль воды в жизни клетки напрямую связана с особенностями ее структуры. Всем известна формула главной жидкости нашего организма. Каждая молекула воды состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода. Соединяются они в единое целое благодаря полярным ковалентным связям, основанным на образовании общей электронной пары у двух атомов. Характерной особенностью молекул воды является ее электрическая асимметрия. Атом кислорода более электроотрицательный, он сильнее притягивает электроны атомов водорода. Следствие этого — смещение общих пар электронов в сторону атома кислорода.
Диполь
То, какова роль воды в клетке, зависит от особенностей, присущих этому веществу. В результате смещения общей пары электронов она приобретает поляризованность. Для молекулы воды характерно наличие двух полюсов: каждый атом водорода обладает частично положительным зарядом, а кислорода — частично отрицательным. Вместе они создают нейтральную молекулу.
Таким образом, каждая структурная единица воды представляет собой диполь. Особенность строения молекулы определяет и характер связи между соседними структурами. Частично отрицательный атом кислорода притягивается атомами водорода других молекул. Между ними образуются так называемые водородные связи. Каждая молекула воды стремится связаться подобным образом с четырьмя своими соседками. Всеми названными нюансами строения определяется биологическая роль воды в клетке. 
Особенности
Водородные связи, характерные для молекул воды, определяют многие ее свойства. Соединения между атомами кислорода и водорода обладают особой прочностью, то есть для того, чтобы их разорвать, необходимо затратить внушительное количество энергии. В результате вода обладает высокой температурой кипения, а также плавления и парообразования. Среди подобных себе веществ вода - единственное вещество, присутствующее на Земле одновременно в трех агрегатных состояниях. То, какова роль воды в клетке, основано и на этой ее особенности.
Взаимодействие с гидрофильными веществами
Присущая частицам воды способность к образованию водородных связей позволяет основной жидкости организма растворять многие соединения. Такие вещества получили название гидрофильных, то есть "дружественных" воде. К ним относятся ионные соединения: соли, основания и кислоты. В число гидрофильных веществ входят и неионные соединения, обладающие полярностью. Их молекулы содержат заряженные группы. Это аминокислоты, сахара, простые спирты и некоторые другие соединения.
Роль воды в жизнедеятельности клетки сводится к созданию среды, необходимой для ускорения всех реакций. Раствор представляет собой такое состояние вещества, в котором все его молекулы могут двигаться гораздо свободнее, то есть значительно выше становится способность вступать в реакцию, чем в обычном виде.
Благодаря таким своим свойствам вода стала основной средой для протекания подавляющего большинства химических реакций. Более того, например, гидролиз и весь набор окислительно-восстановительных процессов осуществляются только при непосредственном участии главной жидкости клетки.
Реагент
Огромная роль воды в жизнедеятельности клетки неоспорима. Она участвует во всех важных процессах. Например, вода необходима для фотосинтеза. Один из его этапов, фотолиз воды, заключается в отделении атомов водорода и включении их в образующиеся органические соединения. При этом в атмосферу выделяется освободившийся кислород.
Роль воды в клетке человека и животных связана с уже названным гидролизом, разрушением веществ с присоединением воды. Одной из важнейших реакций подобного рода в клетке является распад молекулы АТФ, происходящий с выделением энергии, которая используется для других жизненно важных процессов.
Взаимодействие с гидрофобными веществами
Некоторые белки, а также жиры и нуклеиновые кислоты не растворяются в воде совсем, или же этот процесс протекает очень тяжело. Такие вещества получили название гидрофобных, то есть «страшащихся» воды. Роль воды в клетке и организме связана и с взаимодействием ее с подобными соединениями.
Молекулы воды способны отделять гидрофобные вещества от самой жидкости. В результате образуются так называемые поверхности раздела. На них осуществляются многие химические реакции. Так, именно благодаря взаимодействию фосфолипидов, из которых состоит клеточная мембрана, с водой образуется липидный бислой.
Теплоемкость
Биологическая роль воды в клетке заключается и в ее участии в терморегуляции. Теплоемкость воды достаточно высока. Это означает, что при поглощении внушительного количества тепловой энергии температура воды меняется незначительно. Такая ее характеристика способствует поддержанию постоянной температуры внутри клетки, что необходимо для нормального протекания многих процессов и поддержания постоянства внутренней среды.
Равномерное распределение тепла
Еще одна характерная особенность воды — теплопроводность. Она также способствует поддержанию постоянства внутренней среды. Вода способна переносить внушительное количество теплоты из участка организма, где она в переизбытке, к тем клеткам и тканям, которым ее не хватает.
Кроме того, терморегуляция осуществляется и за счет испарения воды. Охлаждение происходит из-за того, что при переходе из одного агрегатного состояния в другое должны разрушиться водородные связи. А для этого, как уже говорилось, требуются большие затраты энергии.
Гидростатический скелет
Роль воды в жизни клетки на этом не заканчивается. Основная жидкость организма обладает еще одним свойством: она практически не сжимается. Такая характеристика позволяет воде играть роль гидростатического скелета в клетке. Вода создает тургорное давление, тем самым определяя такие свойства клеток и тканей, как объемность и упругость. Легко понять, какова роль воды в клетке в этом смысле, если посмотреть на деревья. Привычная форма листьев создается за счет повышенного давления в клетках. Подобных примеров в органическом мире масса. Например, знакомая всем форма медуз или круглых червей поддерживается также за счет гидростатического скелета.
Потеря воды клетками, соответственно, приводит к обратным процессам. Начинается изменение формы: листья увядают, плоды сморщиваются, кожа теряет упругость.
Участие в транспортировке веществ
Молекулы воды при помощи водородных связей способны соединяться не только друг с другом, но и с прочими веществами. В результате такого взаимодействия появляется поверхностное натяжение, играющее значительную роль в транспорте веществ в организме. Так, следствием когезии (сцепления молекул под действием силы притяжения, а в случае воды - при помощи водородных связей) является перемещение питательных веществ в капиллярах растений. Благодаря этому же свойству вода попадает из почвы через корневые волоски в растение.
Также сила поверхностного натяжения делает возможным капиллярный кровоток у животных и человека. Вода участвует в перемещении веществ и выведении из организма продуктов распада.
Получается, что ответ на вопрос «какая роль воды в клетке?» достаточно однозначный — она огромна. Благодаря основным свойствам молекулярного строения этой жидкости возможны все основные процессы, без которых жизнь немыслима. Вода способствует повышению реакционной способности веществ, поддерживает форму клеток и органов, участвует в их обеспечении всем необходимым, является частью многих химических реакций. Вода — источник жизни и это, определенно, не метафора. Все главные процессы обмена веществ связаны с ней, она же лежит в основе взаимодействия различных соединений.
Именно из-за подобных свойств вода является тем веществом, которое ищут в первую очередь во время исследования других планет в попытке понять, пригодны ли они для жизни.