Съдържанието на вода в клетките варира от. Химичен състав на растителна клетка. Какво е значението на водата като разтворител

Водата се съдържа в живите клетки, в мъртвите елементи на ксилема и в междуклетъчните пространства. В междуклетъчните пространства водата е в парообразно състояние. Листата са основните изпарителни органи на растението. В тази връзка е естествено най-голямо количество вода да запълва междуклетъчните пространства на листата. В течно състояние се намира вода различни частиклетки: клетъчна мембрана, вакуола, протоплазма. Вакуолите са най-богатата на вода част от клетката, където нейното съдържание достига 98%. При най-високо съдържание на вода съдържанието на вода в протоплазмата е 95%. Най-ниското водно съдържание е характерно за клетъчните мембрани. Количественото определяне на водното съдържание в клетъчните мембрани е трудно; очевидно варира от 30 до 50%.

Формите на водата в различните части на растителната клетка също са различни. Вакуоларният клетъчен сок е доминиран от вода, задържана от съединения с относително ниско молекулно тегло (осмотично свързани) и свободна вода. В обвивката на растителната клетка водата е свързана главно от високополимерни съединения (целулоза, хемицелулоза, пектинови вещества), т.е. колоидно свързана вода. В самата цитоплазма има свободна вода, колоидно и осмотично свързана. Водата, намираща се на разстояние до 1 nm от повърхността на протеиновата молекула, е здраво свързана и няма правилна шестоъгълна структура (колоидно свързана вода). Освен това в протоплазмата има известно количество йони и следователно част от водата е осмотично свързана.

Физиологичното значение на свободната и свързаната вода е различно. Повечето изследователи смятат, че интензивността на физиологичните процеси, включително скоростта на растеж, зависи преди всичко от съдържанието на свободна вода. Съществува пряка зависимост между съдържанието на свързана вода и устойчивостта на растенията към неблагоприятни външни условия. Тези физиологични корелации не винаги се наблюдават.

Растителната клетка абсорбира вода според законите на осмозата. Осмозата се наблюдава при наличието на две системи с различни концентрации на вещества, когато те комуникират с полупропусклива мембрана. В този случай, според законите на термодинамиката, концентрациите се изравняват поради веществото, за което мембраната е пропусклива.

Когато се разглеждат две системи с различни концентрации на осмотично активни вещества, следва, че изравняването на концентрациите в системи 1 и 2 е възможно само поради движението на водата. В система 1 концентрацията на вода е по-висока, така че водният поток е насочен от система 1 към система 2. Когато се постигне равновесие, реалният поток ще бъде нула.

Растителната клетка може да се разглежда като осмотична система. Клетъчната стена, заобикаляща клетката, има известна еластичност и може да се разтяга. Във вакуолата се натрупват водоразтворими вещества (захари, органични киселини, соли), които имат осмотична активност. Тонопластът и плазмалемата изпълняват функцията на полупропусклива мембрана в тази система, тъй като тези структури са селективно пропускливи и водата преминава през тях много по-лесно от веществата, разтворени в клетъчния сок и цитоплазмата. В тази връзка, ако клетката попадне в околната среда, където концентрацията на осмотично активни вещества ще бъде по-малка от концентрацията вътре в клетката (или клетката е поставена във вода), водата, според законите на осмозата, трябва да влезе в клетката .

Способността на водните молекули да се движат от едно място на друго се измерва с водния потенциал (Ψw). Според законите на термодинамиката водата винаги се движи от област с по-висок воден потенциал към област с по-нисък потенциал.

Воден потенциал(Ψ в) е индикатор за термодинамичното състояние на водата. Молекулите на водата имат кинетична енергия, те се движат произволно в течност и водна пара. Водният потенциал е по-голям в системата, където концентрацията на молекулите е по-висока и общата им кинетична енергия е по-голяма. Чистата (дестилирана) вода има максимален воден потенциал. Водният потенциал на такава система условно се приема за нула.

Единиците за воден потенциал са единици за налягане: атмосфери, паскали, барове:

1 Pa = 1 N/m 2 (N-нютон); 1 бар=0,987 atm=10 5 Pa=100 kPa;

1 atm = 1,0132 бара; 1000 kPa = 1 MPa

Когато друго вещество се разтвори във вода, концентрацията на водата намалява, кинетичната енергия на водните молекули намалява и водният потенциал намалява. Във всички разтвори водният потенциал е по-нисък от този на чистата вода, т.е. при стандартни условия се изразява като отрицателна стойност. Количествено това намаление се изразява с величина, наречена осмотичен потенциал(Ψ осм.). Осмотичният потенциал е мярка за намаляването на водния потенциал поради наличието на разтворени вещества. Колкото повече молекули на разтвореното вещество има в разтвора, толкова по-нисък е осмотичният потенциал.

Когато водата навлезе в клетката, нейният размер се увеличава, хидростатичното налягане вътре в клетката се увеличава, което принуждава плазмалемата да се притиска към клетъчната стена. Клетъчната стена от своя страна упражнява противоналягане, което се характеризира с потенциал за налягане(Ψ налягане) или хидростатичен потенциал, той обикновено е положителен и колкото по-голям е, толкова повече вода има в клетката.

По този начин водният потенциал на клетката зависи от концентрацията на осмотично активни вещества - осмотичния потенциал (Ψ osm.) И потенциала на налягане (Ψ налягане).

При условие, че водата не притиска клетъчната мембрана (състояние на плазмолиза или увяхване), обратното налягане на клетъчната мембрана е нула, водният потенциал е равен на осмотичния:

Ψ в. = Ψ osm.

Когато водата навлезе в клетката, се появява обратното налягане на клетъчната мембрана, водният потенциал ще бъде равен на разликата между осмотичния потенциал и потенциала на налягането:

Ψ в. = Ψ osm. + Ψ налягане

Разликата между осмотичния потенциал на клетъчния сок и обратното налягане на клетъчната мембрана определя водния поток във всеки един момент.

При условие, че клетъчната мембрана е опъната до краен предел, осмотичният потенциал е напълно балансиран от противоналягането на клетъчната мембрана, водният потенциал става нула и водата престава да тече в клетката:

- Ψ осм. = Ψ налягане , Ψ c. = 0

Водата винаги тече в посока на по-отрицателен воден потенциал: от системата, където енергията е по-голяма, към системата, където енергията е по-малка.

Водата може също да навлезе в клетката поради силите на набъбване. Протеините и другите вещества, които изграждат клетката, имайки положително и отрицателно заредени групи, привличат водни диполи. Клетъчната стена, която съдържа хемицелулози и пектинови вещества, и цитоплазмата, в която високомолекулните полярни съединения съставляват около 80% от сухата маса, са способни да набъбват. Водата прониква в набъбващата структура чрез дифузия, движението на водата следва концентрационен градиент. Силата на подуване се обозначава с термина матричен потенциал(Ψ мат.). Зависи от наличието на високомолекулни компоненти на клетката. Потенциалът на матрицата винаги е отрицателен. Голямо значениеΨ мат. има, когато водата се абсорбира от структури, в които няма вакуоли (семена, меристемни клетки).

Свойства на водата и нейната роля в клетката:

На първо място сред веществата на клетката е водата. Той съставлява около 80% от масата на клетката. Водата е двойно по-важна за живите организми, тъй като е необходима не само като компонент на клетките, но за мнозина и като местообитание.

1. Водата определя физични свойстваклетки - нейният обем, еластичност.

2. Много химични процеси протичат само в воден разтвор.

3. Водата е добър разтворител: много вещества влизат в клетката от външната среда във воден разтвор, а във воден разтвор отпадъчните продукти се отстраняват от клетката.

4. Водата има висок топлоемкост и топлопроводимост.

5. Водата има уникално свойство: когато се охлади от +4 до 0 градуса, тя се разширява. Следователно ледът е по-лек от течната вода и остава на повърхността си. Това е много важно за организмите, живеещи в водна среда.

6. Водата може да бъде добър лубрикант.

Биологичната роля на водата се определя от малкия размер на нейните молекули, тяхната полярност и способността да се свързват помежду си чрез водородни връзки.

Биологични функции на водата:

транспорт. Водата осигурява движението на веществата в клетката и тялото, усвояването на веществата и отделянето на метаболитни продукти. В природата водата пренася отпадъчни продукти в почвите и водните тела.

метаболитни. Водата е средата за всички био химична реакция, донор на електрони във фотосинтезата; той е необходим за хидролизата на макромолекулите до техните мономери.

водата участва в образуването на смазочни течности и слуз, секрети и сокове в тялото.

С много малко изключения (кости и зъбен емайл), водата е преобладаващият компонент на клетката. Водата е необходима за метаболизма (обмяната) на клетката, тъй като физиологичните процеси протичат изключително във водната среда. Молекулите на водата участват в много ензимни реакции на клетката. Например, разграждането на протеини, въглехидрати и други вещества става в резултат на тяхното взаимодействие с вода, катализирано от ензими. Такива реакции се наричат реакции на хидролиза.

Водата служи като източник на водородни йони по време на фотосинтезата. Водата в клетката е в две форми: свободна и свързана. Свободната вода съставлява 95% от цялата вода в клетката и се използва главно като разтворител и като дисперсионна среда за колоидната система на протоплазмата. Свързаната вода, която представлява само 4% от цялата клетъчна вода, е хлабаво свързана с протеините чрез водородни връзки.

Поради асиметричното разпределение на заряда, водната молекула действа като дипол и следователно може да бъде свързана както от положително, така и от отрицателно заредени протеинови групи. Диполното свойство на водната молекула обяснява нейната способност да се ориентира в електрическо поле, да се прикрепя към различни молекули и участъци от молекули, които носят заряд. Това води до образуването на хидрати.

Благодарение на високия си топлинен капацитет водата абсорбира топлината и по този начин предотвратява внезапните температурни колебания в клетката. Съдържанието на вода в организма зависи от неговата възраст и метаболитната активност. Той е най-висок в ембриона (90%) и постепенно намалява с възрастта. Съдържанието на вода в различните тъкани варира в зависимост от тяхната метаболитна активност. Например в сивото вещество на мозъка водата е до 80%, а в костите до 20%. Водата е основното средство за движение на веществата в тялото (кръвоток, лимфа, възходящи и низходящи потоци на разтвори през съдовете на растенията) и в клетката. Водата служи като "смазка", необходима навсякъде, където има триещи се повърхности (например в ставите). Водата има максимална плътност при 4°C. Следователно ледът, който има по-ниска плътност, е по-лек от водата и плува на повърхността й, което предпазва резервоара от замръзване. Това свойство на водата спасява живота на много водни организми.

Жизнената дейност на клетките, тъканите и органите на растенията се дължи на наличието на вода. Водата е конституционна субстанция. Определяйки структурата на цитоплазмата на клетките и нейните органели, поради полярността на молекулите, той е разтворител на органични и неорганични съединенияучаства в метаболизма и действа като фонова среда, в която протичат всички биохимични процеси. Лесно прониквайки през черупките и мембраните на клетките, водата циркулира свободно в растението, осигурявайки преноса на вещества и по този начин допринасяйки за единството на метаболитните процеси на тялото. Поради високата си прозрачност, водата не пречи на абсорбцията слънчева енергияхлорофил.

Състоянието на водата в растителните клетки

Водата в клетката е представена в няколко форми, те са коренно различни. Основните са конституционна, солватна, капилярна и резервна вода.

Някои от водните молекули, влизащи в клетката, образуват водородни връзки с редица радикални молекули органична материя. Водородните връзки са особено лесни за образуване на такива радикали:

Тази форма на водата се нарича конституционен . Съдържа се от клетка с якост до 90 хиляди barr.

Поради факта, че водните молекули са диполи, те образуват твърди агрегати със заредени молекули на органични вещества. Такава вода, свързана с молекулите на органичните вещества на цитоплазмата чрез силите на електрическото привличане, се нарича солват . В зависимост от вида на растителната клетка солватната вода представлява от 4 до 50% от общото й количество. Солватната вода, подобно на конституционната вода, няма подвижност и не е разтворител.

Голяма част от водата в клетката е капилярна , защото се намира в кухините между макромолекулите. Солватът и капилярната вода се задържат от клетката със сила, наречена матричен потенциал. То е равно на 15-150 бара.

резерва наречена вода във вакуолите. Съдържанието на вакуолите е разтвор на захари, соли и редица други вещества. Следователно резервната вода се задържа от клетката със сила, която се определя от величината на осмотичния потенциал на вакуолното съдържание.

Поемане на вода от растителните клетки

Тъй като в клетките няма активни носители на водните молекули, нейното движение в и извън клетките, както и между съседните клетки, се извършва само по законите на дифузията. Следователно градиентите на концентрацията на разтвореното вещество се оказват основните двигатели за водните молекули.

Растителните клетки, в зависимост от тяхната възраст и състояние, абсорбират вода чрез последователно включване на три механизма: имбибиция, солватация и осмоза.

впиване . Когато семената покълнат, те започват да абсорбират вода поради механизма на поглъщане. В този случай празните водородни връзки на органичните вещества на протопласта се запълват и водата активно навлиза в клетката от околната среда. В сравнение с други сили, действащи в клетките, силите на поглъщане са колосални. За някои водородни връзки те достигат стойност от 90 хиляди barr. В същото време семената могат да набъбнат и да покълнат в относително сухи почви. След като всички празни водородни връзки се запълнят, впиването спира и се активира следният механизъм на абсорбция на вода.

хидратация . В процеса на солватация, абсорбцията на вода става чрез изграждане на хидратни слоеве около молекулите на протопластите органични вещества. Общото съдържание на вода в клетката продължава да се увеличава. Интензивността на солватацията зависи основно от химичния състав на протопласта. Колкото повече хидрофилни вещества има в клетката, толкова по-пълно се използват силите на солватация. Хидрофилността намалява в серията: протеини -> въглехидрати -> мазнини. Ето защо най-голямото числовода на единица тегло чрез солватация абсорбира протеинови семена (грах, боб, боб), междинно - нишесте (пшеница, ръж), а най-малките - маслодайни семена (лен, слънчоглед).

Силите на солватация са по-ниски по мощност от силите на имбибиция, но все още са доста значителни и достигат 100 bar. До края на процеса на разтваряне съдържанието на вода в клетката е толкова голямо, че капилярната влага се утаява и започват да се появяват вакуоли. Въпреки това, от момента на тяхното образуване, солватацията спира и по-нататъшното усвояване на водата е възможно само поради осмотичния механизъм.

Осмоза . Осмотичният механизъм на поемане на вода работи само в клетки, които имат вакуола. Посоката на движение на водата в този случай се определя от съотношението на осмотичните потенциали на разтворите, включени в осмотичната система.

Осмотичният потенциал на клетъчния сок, означен с R,се определя по формулата:

Р = iRct,

Където R -осмотичен потенциал на клетъчния сок

Р-газова константа, равна на 0,0821;

T -температура по скалата на Келвин;

аз- изотоничен коефициент, показващ естеството на електролитната дисоциация на разтворените вещества.

Самото изотонично съотношение е равно на

И= 1 + α ( н + 1),

където α - степен на електролитна дисоциация;

П -броя на йоните, на които молекулата се дисоциира. За неелектролити П = 1.

Осмотичният потенциал на почвения разтвор обикновено се означава с гръцката буква π.

Водните молекули винаги се движат от среда с по-нисък осмотичен потенциал към среда с по-висок осмотичен потенциал. Така че, ако клетката е в почвения (външен) разтвор при R>π, тогава водата влиза в клетките. Потокът на вода в клетката спира, когато осмотичните потенциали са напълно изравнени (вакуоларният сок се разрежда на входа на абсорбцията на вода) или когато клетъчната мембрана достигне границите на разтегливост.

Така клетките получават вода от околната среда само при едно условие: осмотичният потенциал на клетъчния сок трябва да бъде по-висок от осмотичния потенциал на околния разтвор.

Ако Р< π, има изтичане на вода от клетката във външния разтвор. В процеса на загуба на вода обемът на протопласта постепенно намалява, той се отдалечава от мембраната и в клетката се появяват малки кухини. Такова състояние се нарича Плазмолиза . Етапите на плазмолиза са показани на фиг. 3.18.

Ако съотношението на осмотичните потенциали съответства на условието P = π, тогава дифузията на водните молекули изобщо не се случва.

Голямо количество фактически материали показват, че осмотичният потенциал на клетъчния сок на растенията варира в доста широки граници. В селскостопанските растения, в клетките на корените, обикновено се намира в амплитуда от 5-10 бара, в клетките на листата може да се повиши до 40 бара, а в клетките на плодовете - до 50 бара. При растенията солончак осмотичният потенциал на клетъчния сок достига 100 бара.

Ориз. 3.18.

А - клетка в състояние на тургор; B - ъглова; B - вдлъбнат; G - изпъкнал; D - конвулсивен; E - капачка. 1 - черупка; 2 - вакуола; 3 - цитоплазма; 4 - сърцевина; 5 - Hecht нишки

Водата е най-разпространеното химично съединение на Земята, най-голямата му маса в живия организъм. Изчислено е, че водата съставлява 85% от общата маса на средната статистическа клетка. Докато в човешките клетки водата е средно около 64%. Съдържанието на вода в различните клетки обаче може да варира значително: от 10% в клетките на зъбния емайл до 90% в клетките на ембриона на бозайника. Освен това младите клетки съдържат повече вода от старите. И така, в клетките на бебето водата е 86%, в клетките на стар човек - само 50%.

При мъжете съдържанието на вода в клетките е средно 63%, при жените - малко по-малко от 52%. Какво го е причинило? Оказва се, че всичко е просто. В женското тяло има много мастна тъкан, в клетките на която има малко вода. Следователно съдържанието на вода в женското тяло е приблизително 6-10% по-ниско, отколкото в мъжкото тяло.

Уникалните свойства на водата се дължат на структурата на нейната молекула. От курса по химия знаете, че различната електроотрицателност на водородните и кислородните атоми е причината за възникването на ковалентна полярна връзка във водна молекула. Молекулата на водата има формата на триъгълник (87), в който електрическите заряди са разположени асиметрично и е дипол (запомнете дефиницията на този термин).

Поради електростатичното привличане на водородния атом на една водна молекула към кислородния атом на друга молекула, между водните молекули възникват водородни връзки.

Характеристики на структурата и физиката - Химични свойствавода (способността на водата да бъде универсален разтворител, променлива плътност, висок топлинен капацитет, високо повърхностно напрежение, течливост, капилярност и др.), които определят нейното биологично значение.

Какви функции изпълнява водата в организма Водата е разтворител. Полярната структура на водната молекула обяснява нейните свойства като разтворител. Молекулите на водата взаимодействат с химикали, чиито елементи имат електростатични връзки, и ги разлагат на аниони и катиони, което води до химични реакции. Както знаете, много химични реакции протичат само във воден разтвор. В същото време самата вода остава инертна, така че може да се използва многократно в тялото. Водата служи като среда за транспортиране на различни вещества в тялото. Освен това, крайни продуктиметаболизъм се отделят от тялото главно в разтворена форма.

Има два основни типа разтвори в живите същества. (Запомнете класификацията на разтворите.)

Така нареченият истински разтвор, когато молекулите на разтворителя са със същия размер като молекулите на разтвореното вещество, те се разтварят. В резултат на това настъпва дисоциация и се образуват йони. В този случай разтворът е хомогенен и, научен термин, се състои от една течна фаза. Типични примери са разтвори на минерални соли, киселини или основи. Тъй като в такива разтвори има заредени частици, те могат да провеждат електричествои са електролити, като всички разтвори, открити в тялото, включително кръвта на гръбначните животни, която съдържа много минерални соли.

Колоидният разтвор е случаят, когато молекулите на разтворителя са много по-малки по размер от молекулите на разтвореното вещество. В такива разтвори частиците на веществото, които се наричат колоидни, се движат свободно във водния стълб, тъй като силата на тяхното привличане не надвишава силата на техните връзки с молекулите на разтворителя. Такъв разтвор се счита за хетерогенен, тоест състоящ се от две фази - течна и твърда. Всички биологични течности са смеси, които включват истински и колоидни разтвори, тъй като съдържат както минерални соли, така и огромни молекули (например протеини), които имат свойствата на колоидни частици. Следователно цитоплазмата на всяка клетка, кръвта или лимфата на животните и млякото на бозайниците съдържат едновременно йони и колоидни частици.

Както вероятно си спомняте, биологичните системи се подчиняват на всички закони на физиката и химията, следователно в биологичните разтвори се наблюдават физически явления, които играят важна роля в живота на организмите.

Водни свойства

Дифузията (от латински Difusio - разпространение, разпространение, дисперсия) в биологичните разтвори се проявява като тенденция за изравняване на концентрацията на структурните частици на разтворените вещества (йони и колоидни частици), което в крайна сметка води до равномерно разпределение на веществото в разтвора. Благодарение на дифузията се хранят много едноклетъчни същества, кислородът и хранителните вещества се транспортират през тялото на животните при липса на кръв и дихателни системи(запомнете какви животни са). В допълнение, транспортирането на много вещества до клетките се извършва именно поради дифузия.

Друг физическо явление- осмоза (от гръцки Osmosis - тласък, налягане) - движението на разтворителя през полупропусклива мембрана. Осмозата причинява движението на вода от разтвор с ниска концентрация на разтворени вещества и високо съдържание на H20 в разтвор с висока концентрацияразтворени вещества и ниско съдържание на вода. IN биологични системиах това не е нищо друго освен транспорт на вода на клетъчно ниво. Ето защо осмозата играе важна роля в много биологични процеси. Силата на осмозата осигурява движението на водата в растителните и животинските организми, поради което техните клетки получават хранителни веществаи поддържа постоянна форма. Трябва да се отбележи, че колкото по-голяма е разликата в концентрацията на дадено вещество, толкова по-голямо е осмотичното налягане. Следователно, ако клетките се поставят в хипотоничен разтвор, те ще набъбнат и ще се спукат поради рязко нахлуване на вода.

1. Каква е структурата на водата?

Отговор. Молекулата на водата има ъглова структура: нейните съставни ядра се образуват равнобедрен триъгълник, който има два водорода в основата си и кислороден атом на върха си. Междуядрени O-N разстоянияблизо до 0,1 nm, разстоянието между ядрата на водородните атоми е 0,15 nm. От шестте електрона, които изграждат външния електронен слой на кислородния атом във водната молекула, две електронни двойки образуват ковалентни O-N връзки, а останалите четири електрона са две несподелени електронни двойки.

Водната молекула е малък дипол, съдържащ положителни и отрицателни заряди на полюсите. В близост до водородните ядра има липса на електронна плътност, а от противоположната страна на молекулата, близо до кислородното ядро, има излишък на електронна плътност. Именно тази структура определя полярността на водната молекула.

2. Какво е количеството вода (в%), което се съдържа в различните клетки?

Количеството вода варира в различните тъкани и органи. И така, при човек в сивото вещество на мозъка съдържанието му е 85%, а в костната тъкан - 22%. Най-високо съдържание на вода в организма се наблюдава при ембрионален период(95%) и постепенно намалява с възрастта.

Съдържанието на вода в различните растителни органи варира в доста широки граници. Тя варира в зависимост от условията на околната среда, възрастта и вида на растенията. По този начин съдържанието на вода в листата на марулята е 93-95%, царевицата - 75-77%. Количеството вода не е еднакво в различните органи на растенията: листата на слънчогледа съдържат 80-83% вода, стъблата - 87-89%, корените - 73-75%. Съдържанието на вода, равно на 6-11%, е характерно предимно за въздушно сухи семена, в които жизнените процеси са инхибирани. Водата се съдържа в живите клетки, в мъртвите елементи на ксилема и в междуклетъчните пространства. В междуклетъчните пространства водата е в парообразно състояние. Листата са основните изпарителни органи на растението. В тази връзка е естествено най-голямо количество вода да запълва междуклетъчните пространства на листата. В течно състояние водата се намира в различни части на клетката: клетъчна мембрана, вакуола, цитоплазма. Вакуолите са най-богатата на вода част от клетката, където нейното съдържание достига 98%. При най-високо съдържание на вода съдържанието на вода в цитоплазмата е 95%. Най-ниското водно съдържание е характерно за клетъчните мембрани. Количественото определяне на водното съдържание в клетъчните мембрани е трудно; очевидно варира от 30 до 50%. Формите на водата в различните части на растителната клетка също са различни.

3. Каква е ролята на водата в живите организми?

Отговор. Водата е преобладаващият компонент на всички живи организми. Той има уникални свойства поради структурни особености: водните молекули имат формата на дипол и между тях се образуват водородни връзки. Средното съдържание на вода в клетките на повечето живи организми е около 70%. Водата в клетката присъства в две форми: свободна (95% от цялата клетъчна вода) и свързана (4-5% свързана с протеини).

Функции на водата:

1. Водата като разтворител. Много химични реакции в клетката са йонни, така че протичат само във водна среда. Веществата, които се разтварят във вода, се наричат хидрофилни (алкохоли, захари, алдехиди, аминокиселини), неразтворимите - хидрофобни (мастни киселини, целулоза).

2. Вода като реагент. Водата участва в много химични реакции: реакции на полимеризация, хидролиза, в процеса на фотосинтеза.

3. Транспортна функция. Движение през тялото заедно с водата на разтворените в нея вещества до различните му части и отстраняване на ненужните продукти от тялото.

4. Водата като топлинен стабилизатор и термостат. Тази функция се дължи на такива свойства на водата като висок топлинен капацитет - тя смекчава ефекта върху тялото на значителни температурни промени в заобикаляща среда; висока топлопроводимост - позволява на тялото да поддържа еднаква температура в целия си обем; висока топлина на изпарение - използва се за охлаждане на тялото по време на изпотяване при бозайниците и транспирация при растенията.

5. Структурна функция. Цитоплазмата на клетките съдържа от 60 до 95% вода и тя е тази, която придава на клетките нормалната им форма. При растенията водата поддържа тургора (еластичността на ендоплазмената мембрана), при някои животни тя служи като хидростатичен скелет (медузи)

Въпроси след § 7

1. Каква е особеността на структурата на водната молекула?

Отговор. Уникалните свойства на водата се определят от структурата на нейната молекула. Водната молекула се състои от О атом, свързан с два Н атома чрез полярна връзка ковалентни връзки. Характерното разположение на електроните във водната молекула й придава електрическа асиметрия. По-електроотрицателният кислороден атом привлича по-силно електроните на водородните атоми, в резултат на което общите двойки електрони във водната молекула се изместват към него. Следователно, въпреки че водната молекула не е заредена като цяло, всеки от двата водородни атома има частично положителен заряд (означен като 8+), докато кислородният атом носи частично отрицателен заряд (8-). Водната молекула е поляризирана и е дипол (има два полюса).

Частично отрицателният заряд на кислородния атом на една водна молекула се привлича от частично положителните водородни атоми на други молекули. По този начин всяка водна молекула се стреми към водородна връзка с четири съседни водни молекули.

2. Какво е значението на водата като разтворител?

Отговор. Поради полярността на молекулите и способността да образуват водородни връзки, водата лесно разтваря йонни съединения (соли, киселини, основи). Добре разтворими във вода и някои нейонни, но полярни съединения, т.е. в молекулата на които има заредени (полярни) групи, като захари, прости алкохоли, аминокиселини. Веществата, които са силно разтворими във вода, се наричат хидрофилни (от гръцки hygros - мокър и philia - приятелство, склонност). Когато дадено вещество премине в разтвор, неговите молекули или йони могат да се движат по-свободно и следователно реактивоспособността на веществото се увеличава. Това обяснява защо водата е основната среда, в която протичат повечето химични реакции, а всички реакции на хидролиза и множество окислително-редукционни реакции протичат с прякото участие на водата.

Веществата, които са слабо или напълно неразтворими във вода, се наричат хидрофобни (от гръцки phobos - страх). Те включват мазнини нуклеинова киселина, някои протеини и полизахариди. Такива вещества могат да образуват интерфейси с вода, върху които протичат много химични реакции. Следователно фактът, че водата не разтваря неполярни вещества, също е много важен за живите организми. Сред физиологично важните свойства на водата е способността й да разтваря газове (O2, CO2 и др.).

3. Каква е топлопроводимостта и топлоемкостта на водата?

Отговор. Водата има висок топлинен капацитет, т.е. способността да абсорбира топлинна енергия с минимално повишаване на собствената си температура. Високият топлинен капацитет на водата предпазва тъканите на тялото от бързо и силно повишаване на температурата. Много организми се охлаждат чрез изпаряване на вода (транспирация при растенията, изпотяване при животните).

4. Защо се смята, че водата е идеална течност за клетката?

Отговор. Високото съдържание на вода в клетката е най-важното условие за нейната дейност. Със загубата на по-голямата част от водата умират много организми, както и редица едноклетъчни и дори многоклетъчни организмивременно губи признаци на живот. Това състояние се нарича суспендирана анимация. След хидратиране клетките се събуждат и стават активни отново.

Молекулата на водата е електрически неутрална. Но електрически зарядвътре в молекулата е неравномерно разпределен: в областта на водородните атоми (по-точно протоните) преобладава положителният заряд, в областта, където се намира кислородът, плътността на отрицателния заряд е по-висока. Следователно частица вода е дипол. Диполното свойство на водната молекула обяснява нейната способност да се ориентира в електрическо поле, да се прикрепя към различни молекули и участъци от молекули, които носят заряд. В резултат на това се образуват хидрати. Способността на водата да образува хидрати се дължи на нейните универсални разтворими свойства. Ако енергията на привличане на водните молекули към молекулите на дадено вещество е по-голяма от енергията на привличане между водните молекули, тогава веществото се разтваря. В зависимост от това се разграничават хидрофилни (гръцки hydros - вода и phileo - любов) вещества, които са силно разтворими във вода (например соли, основи, киселини и др.) и хидрофобни (гръцки hydros - вода и phobos - страх ) вещества, трудно или изобщо неразтворими във вода (мазнини, мастноподобни вещества, каучук и др.). Част клетъчни мембранивключва мастноподобни вещества, които ограничават прехода от външната среда към клетките и обратно, както и от една част на клетката към друга.

Повечето от реакциите, протичащи в клетката, могат да протичат само във воден разтвор. Водата е пряк участник в много реакции. Например, разграждането на протеини, въглехидрати и други вещества става в резултат на тяхното взаимодействие с вода, катализирано от ензими. Такива реакции се наричат реакции на хидролиза (гръцки hydros - вода и lysis - разделяне).

Водата има висок топлинен капацитет и в същото време относително висока топлопроводимост за течности. Тези свойства правят водата идеална течност за поддържане на топлинния баланс на клетката и организма.

Водата е основната среда за протичане на биохимичните реакции на клетката. Той е източник на кислород, отделен по време на фотосинтезата, и водород, който се използва за възстановяване на асимилационните продукти. въглероден двуокис. И накрая, водата е основното средство за транспортиране на вещества в тялото (кръв и лимфен поток, възходящи и низходящи потоци на разтвори през съдовете на растенията) и в клетката.

5. Каква е ролята на водата в клетката

Осигуряване на еластичност на клетките. Последиците от загубата на вода от клетката са увяхване на листата, изсъхване на плодовете;

Ускоряване на химичните реакции поради разтварянето на вещества във вода;

Осигуряване на движението на веществата: навлизането на повечето вещества в клетката и отстраняването им от клетката под формата на разтвори;

Осигуряване на разпадането на много химически вещества(редица соли, захари);

Участие в редица химични реакции;

Участие в процеса на терморегулация поради способността за бавно нагряване и бавно охлаждане.

6. Какви структурни и физико-химични свойства на водата я определят биологична роляв клетка?

Отговор. Структурните физични и химични свойства на водата определят нейните биологични функции.

Водата е добър разтворител. Поради полярността на молекулите и способността да образуват водородни връзки, водата лесно разтваря йонни съединения (соли, киселини, основи).

Водата има висок топлинен капацитет, т.е. способността да абсорбира топлинна енергия с минимално повишаване на собствената си температура. Високият топлинен капацитет на водата предпазва тъканите на тялото от бързо и силно повишаване на температурата. Много организми се охлаждат чрез изпаряване на вода (транспирация при растенията, изпотяване при животните).

Водата има и висока топлопроводимост, осигуряваща равномерно разпределение на топлината в тялото. Следователно високият специфичен топлинен капацитет и високата топлопроводимост правят водата идеална течност за поддържане на топлинното равновесие на клетката и организма.

Водата практически не се компресира, създавайки тургорно налягане, определящо обема и еластичността на клетките и тъканите. И така, хидростатичният скелет поддържа формата на кръгли червеи, медузи и други организми.

Водата се характеризира с оптималната стойност на силата на повърхностното напрежение за биологичните системи, която възниква поради образуването на водородни връзки между водните молекули и молекулите на други вещества. Поради силата на повърхностното напрежение възниква капилярен кръвен поток, възходящи и низходящи токове на разтвори в растенията.

В определени биохимични процеси водата действа като субстрат.