Значение воды в жизни клетки и организма. Роль воды в клетке организма. Что такое теплопроводность и теплоёмкость воды

Благодаря своей структуре, вода играет важнейшую роль в жизни любой клетки. Она отвечает за обменные процессы, терморегуляцию, обеспечивает транспорт веществ и поддерживает клеточную структуру. Наш организм живет благодаря жизни наших клеток. А жизнь в них поддерживается благодаря уникальной структуре и свойствам молекулы воды. По количественному составу вода занимает первое место в составе любой клетки.

Присутствие воды в тканях

В наших тканях вода распределена неравномерно.

Мышечная ткань – 65%

Костная ткань - 22%

Жировая ткано – 99%

Кровь – 83 %

Стекловидное тело глаза – 99%

Мозговая ткань – 85%

Зубная эмаль -0,2 %

Участие воды в химических реакциях

С точки зрения химии, вода в клетках является катализаторам, необходимым для протекания различных процессов. В качестве реагента, вода участвует во многих химических реакциях происходящих внутри клеток организма. Вода участвует в процессе гидролиза (разрушения с присоединением молекулы воды). При переваривании пищи происходит гидролиз жиров, белков и углеводов, при этом высвобождается энергия, обеспечивающая жизнедеятельность клеток. При гидролизе солей вода является источником электронов и протонов.

Для протекания внутриклеточных процессов необходимы два свойства воды - способность образовывать водородные связи и обратимая ионизация.

Транспорт веществ

В клетках организма именно вода выполняет транспортную функцию. Молекулы воды участвуют в процессах выведения продуктов жизнедеятельности клетки. Благодаря своим свойствам молекулы воды способны проникать в межклеточное пространство, принося питательные вещества к клеткам.

Вода - это основной компонент крови и лимфы. При ее нехватке сосуд становится ломким, а кровь густой. Это приводит к местным кровоизлияниям и тромбозу.

Поддержание клеточной структуры

Вода в жидком состоянии практически не сжимается. Это свойство позволяет молекулам воды поддерживать структуру клетки, кроме того создает оптимальное внутриклеточное давление. Это обеспечивает постоянную структуру органов и тканей.

Участие воды в терморегуляции

Молекула воды обладает большой теплоемкостью, что позволят ей поддерживать постоянную температуру внутри клеток организма. Кроме того, при расщеплении жиров освобождается большое количество энергии, которая также идет на поддержание температуры.

Вода внутри клетки

В клетках организма вода находится в двух состояниях:

1 Связанное с молекулами белка-4-5%. Такие связи называют сольватными, они образуют оболочку вокруг белковых молекул, препятствуя их взаимодействию. По своему физическому и химическому составу сольватная вода резко отличается от свободной. Она не растворяет солей, а температура замерзания составляет -40C.

2 Свободная вода. Она составляет 95% и участвует во всех перечисленных процессах.

Еще со школы мы знаем, что без воды невозможна наша жизнь. Человек испытывает жажду при потере 3% воды, если потерять 20% то наступит смерть клеток. Это приведет к гибели организма. Следите за количеством употребляемой воды и ее качеством.

Некоторым ученикам приходится писать в школе эссе на тему: «Какую роль в клетке играет вода?». И каждый прилежный ученик из курса общей биологии знает, что без нее жизнь человечества невозможна. Если человек теряет до 3% жидкости, то начинает испытывать жажду. При потере около 20% жидкости клетки в живом организме начинают отмирать, что приводит в конечном итоге к гибели.

Вконтакте

Одноклассники

Значение воды для жизнедеятельности клетки

На нашей планете это вещество является самым распространенным . Каждая клетка живого организма содержит его тем больше, чем интенсивнее она участвует в обменных процессах.

В организме это вещество содержится в связной и свободной форме. Свободная жидкость участвует в транспортировке из внешней среды в клетку и наоборот. Свободная жидкость выступает в роли растворителя и содержится в количестве 95% от общей массы. Содержится она в полостях органов, вакуолях, межклеточном пространстве и сосудах.

Связанная жидкость может находиться между волокнами, молекулами белка, мембранами, в клеточных структурах и образовывает соединения с некоторыми белками. Связанной жидкости в каждой клетке содержится не более 4% от общего количества.

Свойства

Это вещество для человека, как и любого другого живого организма, имеет большее значение, чем пища. Она является главным элементом жизни организма и обеспечивает:

В составе любой клетки, как видно в таблице ниже, первое место занимает вода по количественному составу .

Функции

Как известно из курса школьной химии, вода служит катализатором для протекания разнообразных процессов в организме. Внутри клеток любого живого организма происходят различные химические реакции, где участие воды протекает в качестве реагента .

В процессе пищеварения происходит белков, углеводов и жиров с участием молекул воды и высвобождается энергия, способная обеспечить процессы жизнедеятельности.

Участие в гидролизе солей позволяет ей служить источником для протонов и электронов. Главный показатель для внутриклеточных процессов - это способность вещества жидкости участвовать в обратимой ионизации и образовывать связи с водородом.

Транспортную функцию внутри органов живого организма выполняет тоже это вещество. Все продукты жизнедеятельности клетки выводятся молекулами жидкости. Питательные вещества клеткам доставляют молекулы жидкого вещества, проникая в межклеточное пространство.

Главным компонентом для лимфы и крови является жидкость. Недостаток ее в организме приводит к загустению крови и ломкости сосудов. Местно это выражается в виде тромбозов и кровоизлияний.

Постоянство структуры органов и тканей обеспечивается тем, что она в жидком виде не сжимается, образуя оптимальное внутриклеточное давление и поддерживая структуру клетки.

Постоянная температура внутри организма поддерживается благодаря тому, что молекула жидкости является теплоемкой структурой . Большое количество энергии образуется и при расщеплении жиров, что также служит для поддержки оптимальной температуры.

Это вещество имеет маленький размер молекул, полярность и способность молекул соединяться друг с другом при помощи водородных связей, что обуславливает ее биологическую роль.

Можно выделить две функции воды с точки зрения биологических процессов:

Фотолиз

При фотосинтезе это вещество является источников ионов водорода. При фотосинтезе происходит фотолиз. В переводе с греческого это явление обозначает растворение, распад или разложение с участием света. Фотолиз осуществляется в период световой фазы фотосинтеза, где под действием света молекула этого вещества распадается на ионы.

В результате фотолиза молекула воды распадается на протоны и электроны и выделяет в качестве побочного продукта кислород. Именно этим кислородом и дышат все живые существа на планете.

Уникальные свойства позволили воде играть в клетке роль растворителя, терморегулятора, а также поддерживать структуру клеток и осуществлять транспортировку веществ.

Природа водородных связей

Сама молекула Н 2 O электронейтральна, но заряд внутри молекулы распределен неравномерно: в области атомов водорода небольшой положительный, а в области, где расположен атом кислорода, небольшой отрицательный заряд. Благодаря этому молекулы воды могут взаимодействовать друг с другом с образованием так называемых водородных связей.

Водородные связи

Водородная связь определяет уникальные свойства воды:

У воды очень высокие температуры кипения, плавления и парообразования, так как нужно затратить дополнительную энергию на разрыв водородных связей. Только вода находится во всех трех агрегатных состояниях одновременно. Другие вещества со сходным строением и молекулярной массой, такие как H 2 S, HCl, NH 3 при обычных условиях являются газами.

Реакцию]].

Гидрофобные вещества не будут растворяться в воде, зато молекулы H 2 O смогут отделить гидрофобное вещество от самой толщи воды. Например, жиры - фосфолипиды, из которых состоит клеточная мембрана, могут благодаря взаимодействию с водой формировать липидный бислой.

Участие в химических реакциях

Вода в качестве реагента участвует во многих химических реакциях:

• В ходе фотосинтеза у растений происходит фотолиз воды - водород из состава воды входит в органические вещества, а свободный кислород выделяется в атмосферу.

Уравнение фотосинтеза:

6H 2 O+6CO 2 =C 6 H 12 O 6 + 6O 2

• Вода участвует в гидролизе — разрушении веществ с присоединением воды. Например, гидролиз жиров, белков и углеводов происходит при переваривании пищи, а при гидролизе АТФ выделяется энергия, обеспечивающая нужды клетки.
• При гидролизе солей вода является источником протонов и электронов.

Поддержание структуры клеток

Вода практически не сжимаема, и поэтому служит гидростатическим скелетом клетки. За счет осмоса вода создает избыточное давление внутри вакуолей растительных клеток, это тургорное давление обеспечивает упругость клеточной стенки и поддержание формы органов.

Транспорт веществ

• У растений, благодаря, в частности, капиллярному эффекту, характерному для воды осуществляется подъем от корня к другим частям растения растворенных в воде минеральных солей по сосудам. Также из-за когезии вода в почве доступна для всасывания через корневые волоски.
• Транспорт продуктов фотосинтеза происходит посредством перемещения по ситовидным трубкам водного раствора сахарозы.
• Выведение, перемещение продуктов обмена веществ в растворенном виде у животных.

Участие в терморегуляции

Вследствие своей большой теплоемкости — 4200 Дж/ — вода обеспечивает примерное постоянство температуры внутри клетки. Вода может переносить большое количество теплоты, отдавая ее там, где температура тканей ниже, и забирая там, где температура более высокая. Также при испарении воды происходит значительное охлаждение из-за того, что много энергии тратится на разрыв водородных связей при переходе из одного агрегатного состояния в другое.

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.

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:

1. Поддерживается упругость клетки. При потере клеткой жидкости, например, могут высохнуть плоды или завянут листья.
2. Происходит перемещение веществ, в том числе удаляются ненужные элементы.
3. Обеспечивается ускорение химических реакций благодаря растворению веществ в жидкости.
4. Происходит растворение солей и сахаров.
5. 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.