Почему считается что вода является идеальной жидкостью для клетки
Почему считается что вода является идеальной жидкостью для клетки
Подробное решение параграф § 7 по биологии для учащихся 10 класса, авторов Каменский А.А., Криксунов Е.А., Пасечник В.В. 2014
1. Какое строение имеет вода?
Ответ. Молекула воды имеет угловое строение: входящие в её состав ядра образуют равнобедренный треугольник, в основании которого находятся два водорода, а в вершине – атом кислорода. Межъядерные расстояния О-Н близки к 0,1 нм, расстояние между ядрами атомов водорода равно 0,15 нм. Из шести электронов, составляющих внешний электронный слой атома кислорода в молекуле воды, две электронные пары образуют ковалентные связи О-Н, а остальные четыре электрона представляют собой две неподелёные электронные пары.
Молекула воды представляет собой маленький диполь, содержащий положительный и отрицательный заряды на полюсах. Около ядер водорода имеется недостаток электронной плотности, а на противоположной стороне молекулы, около ядра кислорода, наблюдается избыток электронной плотности. Именно такая структура и определяет полярность молекулы воды.
2. Какое количество воды (в %) содержится в различных клетках?
Ответ. Содержание воды в живых организмах составляет 60—75 % их массы, а у некоторых, например медуз, — до 98 %. В листьях и сочных плодах растений содержание воды также может достигать 98 %.
Количество воды неодинаково в разных тканях и органах. Так, у человека в сером веществе головного мозга ее содержание составляет 85 %, а в костной ткани — 22 %. Наибольшее содержание воды в организме наблюдается в эмбриональный период (95 %) и с возрастом постепенно уменьшается.
Содержание воды в различных органах растений колеблется в довольно широких пределах. Оно изменяется в зависимости от условий внешней среды, возраста и вида растений. Так, содержание воды в листьях салата составляет 93—95%, кукурузы — 75—77%. Количество воды неодинаково в разных органах растений: в листьях подсолнечника воды содержится 80—83%, в стеблях — 87—89%, в корнях — 73—75%. Содержание воды, равное 6—11%, характерно главным образом для воздушно-сухих семян, в которых процессы жизнедеятельности заторможены. Вода содержится в живых клетках, в мертвых элементах ксилемы и в межклетниках. В межклетниках вода находится в парообразном состоянии. Основными испаряющими органами растения являются листья. В связи с этим естественно, что наибольшее количество воды заполняет межклетники листьев. В жидком состоянии вода находится в различных частях клетки: клеточной оболочке, вакуоли, цитоплазме. Вакуоли — наиболее богатая водой часть клетки, где содержание ее достигает 98%. При наибольшей оводненности содержание воды в цитоплазме составляет 95%. Наименьшее содержание воды характерно для клеточных оболочек. Количественное определение содержания воды в клеточных оболочках затруднено; по-видимому, оно колеблется от 30 до 50%. Формы воды в разных частях растительной клетки также различны.
3. Какова роль воды в живых организмах?
2.Вода как реагент. Вода участвует во многих химических реакциях: реакциях полимеризации, гидролиза, в процессе фотосинтеза.
3.Транспортная функция. Передвижение по организму вместе с водой растворенных в ней веществ к различным его частям и выведение ненужных продуктов из организма.
Вопросы после § 7
1. В чём особенность строения молекулы воды?
Ответ. Уникальные свойства воды определяются структурой её молекулы. Молекула воды состоит из атома О, связанного с двумя атомами Н полярными ковалентными связями. Характерное расположение электронов в молекуле воды придаёт ей электрическую асимметрию. Более электроотрицательный атом кислорода притягивает электроны атомов водорода сильнее, в результате общие пары электронов смещены в молекуле воды в его сторону. Поэтому, хотя молекула воды в целом не заряжена, каждый из двух атомов водорода обладает частично положительным зарядом (обозначаемым 8+), а атом кислорода несёт частично отрицательный заряд (8-). Молекула воды поляризована и является диполем (имеет два полюса).
Частично отрицательный заряд атома кислорода одной молекулы воды притягивается частично положительными атомами водорода других молекул. Таким образом, каждая молекула воды стремится связаться водородной связью с четырьмя соседними молекулами воды.
2. Каково значение воды как растворителя?
Ответ. Благодаря полярности молекул и способности образовывать водородные связи вода легко растворяет ионные соединения (соли, кислоты, основания). Хорошо растворяются в воде и некоторые неионные, но полярные соединения, т. е. в молекуле которых присутствуют заряженные (полярные) группы, например сахара, простые спирты, аминокислоты. Вещества, хорошо растворимые в воде, называются гидрофильными (от греч. hygros – влажный и philia – дружба, склонность). Когда вещество переходит в раствор, его молекулы или ионы могут двигаться более свободно и, следовательно, реакционная способность вещества возрастает. Это объясняет, почему вода является основной средой, в которой протекает большинство химических реакций, а все реакции гидролиза и многочисленные окислительно-восстановительные реакции идут при непосредственном участии воды.
Вещества, плохо или вовсе нерастворимые в воде, называются гидрофобными (от греч. phobos – страх). К ним относятся жиры, нуклеиновые кислоты, некоторые белки и полисахариды. Такие вещества могут образовывать с водой поверхности раздела, на которых протекают многие химические реакции. Следовательно, тот факт, что вода не растворяет неполярные вещества, для живых организмов также очень важен. К числу важных в физиологическом отношении свойств воды относится её способность растворять газы (О2, СО2 и др.).
3. Что такое теплопроводность и теплоёмкость воды?
Ответ. Вода обладает высокой теплоёмкостью, т. е. способностью поглощать тепловую энергию при минимальном повышении собственной температуры. Большая теплоёмкость воды защищает ткани организма от быстрого и сильного повышения температуры. Многие организмы охлаждаются, испаряя воду (транспирация у растений, потоотделение у животных).
Вода обладает также высокой теплопроводностью, обеспечивая равномерное распределение тепла по всему организму. Следовательно, высокая удельная теплоёмкость и высокая теплопроводность делают воду идеальной жидкостью для поддержания теплового равновесия клетки и организма.
4. Почему считают, что вода является идеальной жидкостью для клетки?
Вода имеет высокую теплоемкость и одновременно относительно высокую для жидкостей теплопроводность. Эти свойства делают воду идеальной жидкостью для поддержания теплового равновесия клетки и организма.
5. Какова роль воды в клетке
Ответ. Содержание воды в клетке — от 40 до 98% ее массы. Роль воды в клетке:
— обеспечение упругости клетки. Последствия потери клеткой воды увядание листьев, высыхание плодов;
— ускорение химических реакций за счет растворения веществ в воде;
— обеспечение перемещения веществ: поступление большинства веществ в клетку и удаление их из клетки в виде растворов;
— обеспечение растворения многих химических веществ (ряда солей, сахаров);
— участие в ряде химических реакций;
— участие в процессе теплорегуляции благодаря способности к медленному нагреванию и медленному остыванию.
6. Какие структурные и физико-химические свойства воды определяют её биологическую роль в клетке?
Ответ. Структурные физико-химические свойства воды определяют ее биологические функции.
Вода является хорошим растворителем. Благодаря полярности молекул и способности образовывать водородные связи вода легко растворяет ионные соединения (соли, кислоты, основания).
Вода обладает высокой теплоёмкостью, т. е. способностью поглощать тепловую энергию при минимальном повышении собственной температуры. Большая теплоёмкость воды защищает ткани организма от быстрого и сильного повышения температуры. Многие организмы охлаждаются, испаряя воду (транспирация у растений, потоотделение у животных).
Вода обладает также высокой теплопроводностью, обеспечивая равномерное распределение тепла по всему организму. Следовательно, высокая удельная теплоёмкость и высокая теплопроводность делают воду идеальной жидкостью для поддержания теплового равновесия клетки и организма.
Вода практически не сжимается, создавая тургорное давление, определяя объём и упругость клеток и тканей. Так, именно гидростатический скелет поддерживает форму у круглых червей, медуз и других организмов.
Вода характеризуется оптимальным для биологических систем значением силы поверхностного натяжения, которое возникает благодаря образованию водородных связей между молекулами воды и молекулами других веществ. Благодаря силе поверхностного натяжения происходит капиллярный кровоток, восходящий и нисходящий токи растворов в растениях.
В определенных биохимических процессах вода выступает в качестве субстрата.
Почему считается что вода является идеальной жидкостью для клетки
Из-за блокировщика рекламы некоторые функции на сайте могут работать некорректно! Пожалуйста, отключите блокировщик рекламы на этом сайте.
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.
2. Многие химические процессы протекают только в водном растворе.
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 в клетке: биологическая роль воды
Со школы все знают, какова роль воды в клетках и что человеческий организм не способен существовать без нее. При потере 3% влаги начинается жажда, а при 20% происходит отмирание тканей. Она необходима каждой частице организма. Взрослым и детям будет интересно узнать, в каких клетках человека содержится больше всего воды и что произойдет при дефиците.
Биологическая роль воды в клетке
Клетка содержит от 40 до 98% воды, необходимой для работы систем. С биологической точки зрения есть 2 основных функции воды в клетках: транспортная и метаболическая. Первый термин означает «доставку» необходимых организму веществ с помощью влаги и выведение продуктов жизнедеятельности. Вторым называют биологические процессы, например, фотосинтез и гидролиз макромолекул. Вода является донором для электронов при фотосинтезе, во время которого происходит фотолиз воды в клетках под названием хлоропласты. Вещество бывает в свободной и связанной формах:
Если говорить коротко о том, какова биологическая роль воды в клетках, то это обеспечение упругости и транспорта веществ, а также ускорение химических реакций. Жидкость запускает множество процессов в организме. Она растворяет вещества, которые поступают извне, а затем выводит их в отработанном виде. Помимо всего внутри происходят реакции, без участия влаги эти процессы иногда невозможны. Почему считается, что вода является идеальной жидкостью для клетки можно узнать, изучив ее функции:
Многих интересует какую долю в среднем составляет в клетках вода, но на этот вопрос трудно ответить. В составе большинства видов тканей она занимает первое место (исключением являются кости и зубная эмаль). Например, ее содержание в жировой ткани доходит до 99%, в мышцах — 65%, в костях — до 22%, а в крови — более 80%. Даже в зубной эмали есть жидкость, но всего около 0,2% влаги. Средним показателем считают 80%.
Снижение показателей даже на несколько процентов приводит к серьезным нарушениям, поэтому необходимость воды и ее роль в жизнедеятельности клеток — очевидна. Наиболее популярным считают недостаток влаги в крови, что в скором времени приведет к ее загустению. В результате возникает ломкость сосудов, образование тромбов и кровоизлияния во внутренние органы. Вода в клетке напрямую определяет физические свойства: чем влаги больше, тем выше будет ее упругость и объем.
Содержание воды зависит от возраста организма и скорости метаболизма. У эмбрионов оно до 90%, но на протяжении всей жизни снижается, что объясняет ухудшение здоровья в пожилом возрасте. Влага выступает в роли смазки, защищая поверхности от истирания (суставы и хрящи).
О роли воды в жизни клеток должен знать каждый, ведь жидкость необходима любому организма. Она обеспечивает работу всех тканей и систем, химических и биологических процессов.
Роль воды в клетке: 6 важных функций и схема строения клеток
Роль воды в клетке для живого организма незаменима. Она составляет около 70 процентов от её массы. Остальные 30 процентов занимают органические и неорганические вещества. Недостаток жидкости приводит к истощению или гибели организма.
В данной статье мы узнаем, какие важные функции вода выполняет в клетках.
Какую роль выполняет в клетке вода
Все живые организмы состоят из клеток: человек, растения, животных, бактерии и т.д.
Клетка – это наименьшая единица строения живого организма. Они различаются, но имеют общие признаки.
Источник: Биология, Л.Н Сухорукова, В. С. Кучменко, И. Я. Колесникова
В состав всех клеток входят органические и неорганические вещества. Самое распространенное неорганическое вещество – вода.
Рассмотрим кратко её основные функции.
Химическая роль
Вода в качестве реагента участвует во многих химических реакциях:
Химический состав клетки
Рассмотрим полный состав на рисунке № 2.
Химический состав
Органические вещества
Неорганические вещества
Как образуются органические и неорганические вещества
В природе большое разнообразие клеток. Они могут отличаться размерами, функциям, формой. Могут быть свободноживущими или входить в состав многоклеточного организма. При всем многообразии они состоят из одних и тех же типов химических веществ.
Живую клетку отличают 2 особенности:
По подсчетам ученых в ней можно встретить около 70 химических элементов, правда, только 24 встречаются постоянно. Рассмотрим рисунок № 3.
По количеству элементы, содержащиеся в клетках, делят на 3 группы.
Процентное содержание элементов не характеризует их важность в организме. Многие элементы входят в состав биологически важных веществ, ферментов, витаминов. Например, Кобальт входит в состав Витамина В12.
Эти 70 элементов могут входить в состав клетки. Они образуют 1000 химических веществ, которые можно разделить на неорганические и органические вещества.
Вода в органах и тканях
Всем живым существам необходима вода. Тело человека состоит из воды на 60-80 процентов. Она необходима каждому органу: коже, головному мозгу, желудку, сердцу, зубной эмали, ногтям и т.д.
При недостатке жидкости происходит обезвоживание организма. В клетке человека в разных органах и тканях содержится разное количество воды.
Для наглядности представлен рисунок № 4.
Примечательной особенностью является то, что с возрастом в теле человека становится меньше жидкости.
Например, у новорожденного — 80 процентов жидкости, у пожилого человека — 60 процентов.
Функции свободной воды в бактериальных клетках
Вода в клетках живых организмах бывает двух видов.
Бактериальная состоит из 80-90 процентов воды, 10 процентов приходится на долю сухого вещества.
Свободная вода в ее составе выполняет функции:
Существуют организмы, не имеющие клеточного строения. К ним относят вирусы.
Заключение
В жизнедеятельности клетки вода выполняет ключевую роль. Её содержание не редко достигает 70-80 процентов. Вода необходима для каждого процесса в живом организме и содержится в каждом органе. Вода – источник жизни, ее биологическая роль бесценна для живого организма.
Почему вода считается идеальной жидкостью для клетки. Биологическая роль воды в клетке
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
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
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.
Подробное решение параграф § 7 по биологии для учащихся 10 класса, авторов Каменский А.А., Криксунов Е.А., Пасечник В.В. 2014
1. Какое строение имеет вода?
Ответ. Молекула воды имеет угловое строение: входящие в её состав ядра образуют равнобедренный треугольник, в основании которого находятся два водорода, а в вершине – атом кислорода. Межъядерные расстояния О-Н близки к 0,1 нм, расстояние между ядрами атомов водорода равно 0,15 нм. Из шести электронов, составляющих внешний электронный слой атома кислорода в молекуле воды, две электронные пары образуют ковалентные связи О-Н, а остальные четыре электрона представляют собой две неподелёные электронные пары.
Молекула воды представляет собой маленький диполь, содержащий положительный и отрицательный заряды на полюсах. Около ядер водорода имеется недостаток электронной плотности, а на противоположной стороне молекулы, около ядра кислорода, наблюдается избыток электронной плотности. Именно такая структура и определяет полярность молекулы воды.
2. Какое количество воды (в %) содержится в различных клетках?
3. Какова роль воды в живых организмах?
2.Вода как реагент. Вода участвует во многих химических реакциях: реакциях полимеризации, гидролиза, в процессе фотосинтеза.
3.Транспортная функция. Передвижение по организму вместе с водой растворенных в ней веществ к различным его частям и выведение ненужных продуктов из организма.
1. В чём особенность строения молекулы воды?
Ответ. Уникальные свойства воды определяются структурой её молекулы. Молекула воды состоит из атома О, связанного с двумя атомами Н полярными ковалентными связями. Характерное расположение электронов в молекуле воды придаёт ей электрическую асимметрию. Более электроотрицательный атом кислорода притягивает электроны атомов водорода сильнее, в результате общие пары электронов смещены в молекуле воды в его сторону. Поэтому, хотя молекула воды в целом не заряжена, каждый из двух атомов водорода обладает частично положительным зарядом (обозначаемым 8+), а атом кислорода несёт частично отрицательный заряд (8-). Молекула воды поляризована и является диполем (имеет два полюса).
Частично отрицательный заряд атома кислорода одной молекулы воды притягивается частично положительными атомами водорода других молекул. Таким образом, каждая молекула воды стремится связаться водородной связью с четырьмя соседними молекулами воды.
2. Каково значение воды как растворителя?
Ответ. Благодаря полярности молекул и способности образовывать водородные связи вода легко растворяет ионные соединения (соли, кислоты, основания). Хорошо растворяются в воде и некоторые неионные, но полярные соединения, т. е. в молекуле которых присутствуют заряженные (полярные) группы, например сахара, простые спирты, аминокислоты. Вещества, хорошо растворимые в воде, называются гидрофильными (от греч. hygros – влажный и philia – дружба, склонность). Когда вещество переходит в раствор, его молекулы или ионы могут двигаться более свободно и, следовательно, реакционная способность вещества возрастает. Это объясняет, почему вода является основной средой, в которой протекает большинство химических реакций, а все реакции гидролиза и многочисленные окислительно-восстановительные реакции идут при непосредственном участии воды.
Вещества, плохо или вовсе нерастворимые в воде, называются гидрофобными (от греч. phobos – страх). К ним относятся жиры, нуклеиновые кислоты, некоторые белки и полисахариды. Такие вещества могут образовывать с водой поверхности раздела, на которых протекают многие химические реакции. Следовательно, тот факт, что вода не растворяет неполярные вещества, для живых организмов также очень важен. К числу важных в физиологическом отношении свойств воды относится её способность растворять газы (О2, СО2 и др.).
3. Что такое теплопроводность и теплоёмкость воды?
Ответ. Вода обладает высокой теплоёмкостью, т. е. способностью поглощать тепловую энергию при минимальном повышении собственной температуры. Большая теплоёмкость воды защищает ткани организма от быстрого и сильного повышения температуры. Многие организмы охлаждаются, испаряя воду (транспирация у растений, потоотделение у животных).
4. Почему считают, что вода является идеальной жидкостью для клетки?
Вода имеет высокую теплоемкость и одновременно относительно высокую для жидкостей теплопроводность. Эти свойства делают воду идеальной жидкостью для поддержания теплового равновесия клетки и организма.
5. Какова роль воды в клетке
Обеспечение упругости клетки. Последствия потери клеткой воды увядание листьев, высыхание плодов;
Ускорение химических реакций за счет растворения веществ в воде;
Обеспечение перемещения веществ: поступление большинства веществ в клетку и удаление их из клетки в виде растворов;
Обеспечение растворения многих химических веществ (ряда солей, сахаров);
Участие в ряде химических реакций;
Участие в процессе теплорегуляции благодаря способности к медленному нагреванию и медленному остыванию.
6. Какие структурные и физико-химические свойства воды определяют её биологическую роль в клетке?
Ответ. Структурные физико-химические свойства воды определяют ее биологические функции.
Вода является хорошим растворителем. Благодаря полярности молекул и способности образовывать водородные связи вода легко растворяет ионные соединения (соли, кислоты, основания).
Вода обладает высокой теплоёмкостью, т. е. способностью поглощать тепловую энергию при минимальном повышении собственной температуры. Большая теплоёмкость воды защищает ткани организма от быстрого и сильного повышения температуры. Многие организмы охлаждаются, испаряя воду (транспирация у растений, потоотделение у животных).
Вода обладает также высокой теплопроводностью, обеспечивая равномерное распределение тепла по всему организму. Следовательно, высокая удельная теплоёмкость и высокая теплопроводность делают воду идеальной жидкостью для поддержания теплового равновесия клетки и организма.
Вода практически не сжимается, создавая тургорное давление, определяя объём и упругость клеток и тканей. Так, именно гидростатический скелет поддерживает форму у круглых червей, медуз и других организмов.
Вода характеризуется оптимальным для биологических систем значением силы поверхностного натяжения, которое возникает благодаря образованию водородных связей между молекулами воды и молекулами других веществ. Благодаря силе поверхностного натяжения происходит капиллярный кровоток, восходящий и нисходящий токи растворов в растениях.
В определенных биохимических процессах вода выступает в качестве субстрата.
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.
Свободнаявода составляет 95% всей воды в клетке и используется главным образом как растворитель и как дисперсионная среда коллоидной системы протоплазмы.
Связаннаявода , на долю которой приходится всего 4% всей воды клетки, непрочно соединена с белками водородными связями.
Полярность молекулы воды. 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.
Теплоемкость. Благодаря своей высокой теплоемкости вода поглощает тепло и тем самым предотвращает резкие колебания температуры в клетке.
Вода как смазка. 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.
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.
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).
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).
Концентрация воды в биологических жидкостях определяет быстроту взаимодействия веществ. Быстрее происходят внутренние процессы: выводятся продукты распада биохимических реакций, активизируются процессы восстановления и обновления организма. При растворении вещества его молекулы с помощью воды получают возможность двигаться быстрее, отчего реакционная способность его увеличивается. При снижении содержания воды в организме кровь становится «вязкой», медленнее движется по и сосудам, замедляется обмен веществ, общее состояние человека начинает быстро ухудшаться, начинает страдать мозг, который состоит на 85% из жидкости.
При обезвоживании организма первой страдает клеточная жидкость, она уменьшается до 66%, потом внеклеточная и только после сокращается количество жидкости в плазме крови. Природа устроила так, что обеспечение главного органа жизнедеятельности – головного мозга, ведется до последнего. Большая потеря жидкости у человека способна привести к необратимым последствиям, медицине известны случаи не только гибели людей от обезвоживания, но и наступления у них тяжелых недугов, в частности, от недостатка воды, а также от ее переизбытка развивалась шизофрения, больные быстро сходили с ума.
Благодаря теплоемкости воды, ее участие в регулировании температуры тела играет важную роль, осуществляются процессы теплорегуляции, поддерживается оптимальная для биологической активности температура клеток в организме. Ускоряется транспортировка питательных веществ и кислорода.
Вода также принимает участие в процессе пищеварения и выведения продуктов переработки организма. Именно она стимулирует к работе стенки кишечника, именно она растворяет продукты переработки, выводя их по мочетокам.
Любопытно, что вода, по сути, и важнейший защитный фактор для внутренних органов человека. К примеру, печень, почки, селезенка имеют весьма немалый удельный вес, при физической активности теоретически они должны просто оторваться, ведь проводящие каналы и удерживающие связки очень тонки. Уберегает их от этого жидкость, в которой они словно плавают. Жидкость гасит удары, создает биологическую среду, меняет их физический вес, приводя к минимальному (закон Архимеда в действии).