Наиболее важные биологические функции воды
Вода играет важнейшую роль в жизни клеток и живых организмов в целом. Помимо того, что она входит в их состав, для многих организмов это еще и среда обитания. Роль воды в клетке определяется ее свойствами. Свойства эти довольно уникальны и связаны главным образом с малыми размерами молекул воды, с полярностью ее молекул и с их способностью, соединяться друг с другом водородными связями.
Молекулы воды имеют нелинейную пространственную структуру. Атомы в молекуле воды удерживаются посредством полярных ковалентных связей. которые связывают один атом кислорода с двумя атомами водорода. Полярность ковалентных связей (т.е. неравномерное распределение зарядов) объясняется в данном случае сильной электроотрицательностью атомов кислорода по отношению к атому водорода; атом кислорода оттягивает на себя электроны из общих электронных пар.
Вследствие этого на атоме кислорода возникает частично Отрицательный заряд, а на атомах водорода — частично положительный. Между атомами кислорода и водорода соседних молекул возникают водородные связи.
Благодаря образованию водородных связей молекулы воды им одна с другой, что и обусловливает ее исходное состояние при нормальных условиях.
Вода является превосходным растворителем для полярных веществ, например солей, сахаров, спиртов, кислот и др. Вещества хорошо растворимые в воде, называются гидрофильными .
Абсолютно неполярные вещества типа жиров или масел вода не растворяет и не смешивается с ними, поскольку она не может образовывать с ними водородные связи. Нерастворимые в воде вещества называютсягидрофобными .
Вода обладает высокой удельной теплоемкостью. Для разрыва водородных связей, удерживающих молекулы воды, требуется поглотить большое количество энергии. Это свойство обеспечивает поддержание теплового баланса организма при значительных перепадах температуры в окружающей среде. Кроме того, вода обладает высокой теплопроводностью. что позволяет организму поддерживать одинаковую температуру во всем его объеме.
Вода обладает также высокой теплотой парообразования. т.е. способностью молекул уносить с собой значительное количество тепла, охлаждая организм. Это свойство воды используется при потоотделении у млекопитающих, тепловой одышке у крокодилов и транспирации у растений, предотвращая их перегрев.
Для воды характерно исключительно высокое поверхностное натяжение. Это свойство имеет очень важное значение для адсорбционных процессов, для передвижения растворов по тканям (кровообращение, восходящий и нисходящий токи в теле растений). Многие мелкие организмы извлекают для себя пользу из поверхностного натяжения: оно позволяет им удерживаться на воде или скользить по ее поверхности.
Биологические функции воды
Транспортная. Вода обеспечивает передвижение веществ в клетке и организме, поглощение веществ и выведение продуктов метаболизма.
Метаболическая. Вода является средой для всех биохимических реакций в клетке. Ее молекулы участвуют во многих химических реакциях, например при образовании или гидролизе полимеров. В процессе фотосинтеза вода является донором электронов и источником атомов водорода. Она же является источником свободного кислорода.
Структурная. Цитоплазма клеток содержит от 60 до 95 % воды. У растений вода определяет тургор клеток, а у некоторых животных выполняет опорные функции, являясь гидростатическим скелетом (круглые и кольчатые черви, иглокожие).
Вода участвует в образовании смазывающих жидкостей (синовиальная в суставах позвоночных; плевральная в плевральной полости, перикардиальная в околосердечной сумке) и слизей (которые облегчают передвижение веществ по кишечнику, создают влажную среду на слизистых оболочках дыхательных путей). Она входит в состав слюны, желчи, слез, спермы и др.
Минеральные соли. Молекулы солей в водном растворе диссоциируют на катионы и анионы. Наибольшее значение имеют катионы: К +. Na +. Са 2+. Mg 2+ и анионы: Cl —. H2 PO4 —. HPO4 2-. HCO3 —. NO3 —. SO4 2-. Существенным является не только содержание, но и соотношение ионов в клетке.
Разность между количеством катионов и анионов на поверхности и внутри клетки обеспечивает возникновение потенциала действия, что лежит в основе нервного и мышечного возбуждения. С разностью концентрации ионов по разные стороны мембраны связывают активный перенос веществ через мембрану, а также преобразование энергии.
Анионы фосфорной кислоты создают фосфатную буферную систему, поддерживающую pH внутриклеточной среды организма на уровне 6,9.
Угольная кислота и ее анионы создают бикарбонатную буферную систему, которая поддерживает рН внеклеточной среды (плазма крови) на уровне 7,4.
Некоторые ионы участвуют в активации ферментов, создании осмотического давления в клетке, в процессах мышечного сокращения, свертывании крови и др.
Некоторые катионы и анионы могут включаться в комплексы с различными веществами (например, анионы фосфорной кислоты входят в состав фосфолипидов, АТФ, нуклеотидов и др.; ион Fe 2+ входит в состав гемоглобина и т.д.).
Биологическая роль воды. Возможна ли жизнь без воды
February 23, 2017
Вода – это неотъемлемая часть нашей жизни. Две трети всей поверхности Земли занимают моря и океаны. Все, что нас окружает, не могло бы существовать без молекулы Н2 О. Даже человек на 70 процентов состоит из этого вещества. Биологическая роль воды очень велика. Вы в этом убедитесь, если прочтете эту статью до конца.
Посмотрите в окно. Что вы видите? Люди, животные, растения, дома, машины. Все это состоит из воды, правда, ее процентное содержание везде разное. Зачем далеко ходить? Как вы думаете, в зубной эмали и костях есть те самые удивительные молекулы Н2 О? Конечно, только их процентное содержание очень маленькое. В наше технологическое время без воды людям не обойтись.
Молекула воды
В данной статье будут рассмотрены свойства воды и ее биологическая роль. Мы уже говорили о том, что функции этого вещества очень многочисленны и разнообразны. Давайте поговорим немного о том, как устроена молекула, тогда станет понятно, почему это соединение так многофункционально и универсально. Начнем с состава. Молекула воды содержит в себе 3 атома: 2 – водорода и 1 – кислорода. Форма напоминает равнобедренный треугольник. Такое вещество является диполем, поскольку обладает полярностью. Вода – это удивительное соединение, так как она может находиться в трех состояниях:
Биологическая роль воды очень велика. Сейчас мы перейдем к рассмотрению функций чудо-молекулы.
Растворитель
Биологическая роль воды заключается в том, что она может хорошо растворять в себе различные вещества. Но это одна из функций. Так как практически любое вещество способно раствориться в воде, то в чистом виде найти эту жидкость практически нереально, можно только добыть в лабораторных условиях. Любой растворитель способен взять только определенное количество вещества. Таким образом, существуют насыщенные водные растворы, то есть когда растворитель не может больше принять и растворить в себе другие вещества. Но если воду нагреть, то ее способность как растворителя сильно возрастает. Проведите эксперимент: растворите одинаковое количество сахара или соли в горячей и холодной воде. Конечно, в горячей растворение произойдет намного быстрее, и не останется осадка.
Терморегуляция
Биологическая роль воды также заключается в способности поддерживать постоянную температуру тела. То есть на морозе и в теплом помещении температура нашего тела (при условии того, что человек здоров) будет оставаться неизменной – 36,6 градуса. Это можно объяснить тем, что вода способна забирать тепло и очень медленно остывать.
Теперь немного о том, что такое теплообмен. Это обмен теплом между организмом и окружающей средой. Основной фактор – это температура тела живого существа, которая зависит от обменных процессов и отдачи тепла. Есть два вида живых существ на нашей планете:
Мы относимся ко второй группе, то есть являемся теплокровными. Наша температура не меняется с изменением температуры окружающей среды.
Упругость клеток
Теперь о том, какова биологическая роль воды в клетке. Как говорилось ранее, вода является растворителем, участвует в процессе терморегуляции. Кроме всего вышесказанного, она является основой для органоидов клетки и поддерживает ее правильную форму. Это можно объяснить следующим образом: воду очень тяжело сжать даже в лабораторных условиях, она помогает сохранять упругость клеткам. Если вы не верите словам, то проведите опыт: попробуйте сжать воду. Согласитесь, это довольно сложно.
Транспортная функция
Еще одна особенность воды заключается в способности доставлять необходимые вещества. Сейчас речь пойдет о транспортной функции. Возможность доставки необходимых веществ происходит благодаря высокому поверхностному натяжению жидкости. Так, вода может проникнуть в капилляры, межклеточное пространство. То есть она несет питание клеткам и выводит ненужные вещества. Вода обладает самыми разнообразными свойствами, именно им нужно быть благодарными за выполнение всех жизненно важных функций.
Экологическая роль
Мы рассмотрели, какова биологическая роль воды, но важно понимать и то, что экологическая ее роль не менее важна. Можно выделить 2 аспекта:
- внешний экологический фактор;
- внутренний экологический фактор.
Внешние факторы включают в себя целый ряд особенностей, таких как климат, микроклимат, среда обитания и так далее. Внутренние влияют в первую очередь на клетки живых организмов. Так, можно выделить целый ряд особенностей и процессов, в которых участвует вода. Многие из этих функций являются жизненно необходимыми для человека.
7 частей тела, которые не следует трогать руками Думайте о своем теле, как о храме: вы можете его использовать, но есть некоторые священные места, которые нельзя трогать руками. Исследования показыва.
11 странных признаков, указывающих, что вы хороши в постели Вам тоже хочется верить в то, что вы доставляете своему романтическому партнеру удовольствие в постели? По крайней мере, вы не хотите краснеть и извин.
Топ-10 разорившихся звезд Оказывается, иногда даже самая громкая слава заканчивается провалом, как в случае с этими знаменитостями.
Наши предки спали не так, как мы. Что мы делаем неправильно? В это трудно поверить, но ученые и многие историки склоняются к мнению, что современный человек спит совсем не так, как его древние предки. Изначально.
Эти 10 мелочей мужчина всегда замечает в женщине Думаете, ваш мужчина ничего не смыслит в женской психологии? Это не так. От взгляда любящего вас партнера не укроется ни единая мелочь. И вот 10 вещей.
Почему комары одних людей кусают, а других нет Ученые нашли несколько причин, по которым комары не могут устоять перед искушением укусить одних и бояться подлетать к другим людям.
Структура, свойства и биологические функции воды
Жизнь на планете Земля зародилась в водной среде. Ни один организм не может обходиться без воды. Несмотря на простоту химического состава и строения, вода является одним из удивительных соединений, обладает уникальными физико-химическими свойствами и биологическими функциями.
Молекула воды (Н2 О) — полярное соединение, в котором электрофильный атом кислорода притягивает спаренные электроны от атомов водорода, приобретая частичный отрицательный заряд, в то время как атомы водорода приобретают частично положительные заряды. Важной особенностью воды является способность ее молекул объединяться в структурные агрегаты за счет образования водородных связей между разноименно заряженными атомами. Образующие ассоциаты (рис. 1) состоят из нескольких молекул воды, поэтому формулу воды правильнее было бы записать как (Н2 О)л. где п = 2, 3, 4, 5. Водородные связи имеют исключительно важное значение при формировании структур биополимеров, надмолекулярных комплексов, в метаболизме.
Дж. Пиментел и О. Мак-Клеллан считают, что в химии живых систем водородная связь так же важна, как и связь углерод—углерод. Что же такое водородная связь?
Рис. 1. Ассоциат молекул воды (точками обозначены водородные связи)
Водородная связь — это взаимодействие атома водорода с более электроотрицательным атомом, имеющее частично донорно-акцепторный, частично электростатический характер. Любая химическая связь характеризуется энергией ее образования. По энергии водородная связь занимает промежуточное положение между ковалентной (200—400 кДж/моль) и ионной химическими связями и слабыми ван-дер-ваальсовыми взаимодействиями, находясь в пределах 12—30 кДж/моль.
Необычная структура воды обусловливает ее уникальные физико-химические свойства. Все биохимические процессы в организме протекают в водной среде. Вещества, находящиеся в водном растворе, имеют водную оболочку, которая образуется в результате взаимодействия полярных молекул воды с заряженными группами макромолекул или ионов. Чем больше такая оболочка, тем лучше растворимо вещество.
По отношению к воде молекулы или их части делят на гидрофильные (водорастворимые) и гидрофобные (водонерастворимые). Гидрофильными являются все органические и неорганические соединения, диссоциирующие на ионы, биологические мономеры и биополимеры, имеющие полярные группы. К гидрофобным следует отнести соединения, молекулы которых содержат неполярные группы или цепи (триацилглицерины, стероиды и др.). Молекулы некоторых соединений содержат как гидрофильные, так и гидрофобные группы; такие соединения называются амфифильными (от греч. amphy — двоякий). К ним относятся жирные кислоты, фосфолипиды и др. Из вышесказанного следует, что диполи воды способны взаимодействовать не только между собой, но ft с полярными молекулами органических и неорганических веществ, локализованных в клетке организма. Этот процесс получил название гидратации веществ.
Физико-химические свойства воды определяют ее биологические функции:
• Вода является прекрасным растворителем.
• Вода выполняет функцию регулятора теплового баланса организма, так как ее теплоемкость значительно превышает теплоемкость любого биологического вещества. Поэтому вода может долго сохранять тепло при изменении температуры окружающей среды и переносить его на расстояние.
• Вода способствует сохранению внутриклеточного давления и формы клеток (тургор).
• В определенных биохимических процессах вода выступает в качестве субстрата.
Содержание воды в организме человека зависит от возраста: чем моложе человек, тем выше содержание воды. У новорожденных вода составляет 75% от массы тела, у детей от 1 года до 10 лет — 60—65%, а у людей старше 50 лет — 50—55%. Внутри клеток содержится 2/3 общего количества воды, внеклеточная вода составляет 1/3. Необходимое содержание воды в организме человека поддерживается за счет поступления ее извне (примерно 2 л в сутки); около 0,3 л в сутки образуется в процессе распада веществ внутри организма. Нарушение водного баланса в клетках организма приводит к тяжелым последствиям вплоть до гибели клеток. Функции клеток зависят от общего количества внутриклеточной и внеклеточной воды, от водного окружения макромолекул и субклеточных структур. Резкое изменение содержания воды в организме приводит к патологии.
Источник
