Водата е най-разпространеното съединение на Земята и в живите организми. Съдържанието на вода в клетките зависи от естеството на метаболитните процеси: колкото по-интензивни са те, толкова по-високо е съдържанието на вода.

Средно клетките на възрастен човек съдържат 60-70% вода. При загуба на 20% от водата организмите умират. Човек може да живее не повече от 7 дни без вода, докато не повече от 40 дни без храна.

Ориз. 4.1. Пространствената структура на водната молекула (H 2 O) и образуването на водородна връзка

Водната молекула (H 2 O) се състои от два водородни атома, които са ковалентно свързани с кислородни атоми. Молекулата е полярна, тъй като е огъната под ъгъл и ядрото на кислородния атом дърпа споделените електрони към този ъгъл, така че кислородът придобива частичен отрицателен заряд, а водородните атоми в отворените краища - частично положителни заряди. Водните молекули са способни да се привличат една към друга чрез положителен и отрицателен заряд, образувайки водородна връзка (Фигура 4.1.).

Поради уникалната структура на водните молекули и способността им да се свързват помежду си чрез използване водородни връзкиводата има редица свойства, които я определят важна роляв клетката и тялото.

Водородните връзки причиняват относително високи температури на кипене и изпаряване, висок топлинен капацитет и топлопроводимост на водата и свойство на универсален разтворител.

Водородните връзки са 15-20 пъти по-слаби от ковалентните. V течно състояниесе образуват или прекъсват водородни връзки, което предизвиква движението на водните молекули, нейната течливост.

Биологичната роля на H 2 O

Водата определя физични свойстваклетки - неговият обем, еластичност (тургор). Клетката съдържа 95-96% свободна вода и 4-5% свързана вода.Свързаната вода образува водни (солватационни) обвивки около определени съединения (например протеини), предотвратявайки тяхното взаимодействие помежду си.

Безплатна водае добър разтворител за много неорганични и органични полярни вещества. Веществата, които са лесно разтворими във вода се наричат хидрофилен. Например алкохоли, киселини, газове, повечето соли на натрий, калий и др. За хидрофилните вещества енергията на свързване между техните атоми е по-малка от енергията на привличане на тези атоми към водните молекули. Следователно, техните молекули или йони лесно се включват обща системаводородни връзки на водата.

Като универсален разтворител, водата играе изключително важна роля, както повечето химична реакциясе среща във водни разтвори. Проникването на вещества в клетката и отстраняването на отпадните продукти от нея в повечето случаи е възможно само в разтворена форма.

Водата не разтваря неполярни (не носещи заряд) вещества, тъй като не може да образува водородни връзки с тях. Водонеразтворими вещества се наричат хидрофобни ... Те включват мазнини, мазнини, подобни на вещества, полизахариди, каучук.

Някои органични молекули имат двойни свойства: полярните групи са разположени в някои части от тях, а неполярните групи в други. Такива вещества се наричат амфипатичен или амфифилен... Те включват протеини, мастни киселини, фосфолипиди, нуклеинова киселина... Амфифилните съединения играят важна роля в организацията на биологични мембрани, сложни супрамолекулни структури.

Водата участва пряко в реакциите хидролиза- разделяне на органични съединения. В този случай, под действието на специални ензими до свободни валентности органични молекулиса свързани с ОН йони - и Х + вода. В резултат на това се образуват нови вещества с нови свойства.

Водата има висок топлинен капацитет (т.е. способността да абсорбира топлина с незначителни промени в собствената си температура) и добра топлопроводимост. Благодарение на тези свойства температурата вътре в клетката (и в тялото) се поддържа на определено ниво със значителни промени в температурата на околната среда.

Важно биологично значениеза функционирането на растенията, хладнокръвните животни има факта, че под въздействието на разтворени вещества (въглехидрати, глицерин) водата може да промени свойствата си, по-специално точките на замръзване и кипене.

Свойствата на водата са толкова важни за живите организми, че е невъзможно да си представим съществуването на живот, какъвто го познаваме, не само на Земята, но и на всяка друга планета без достатъчно количество вода.

МИНЕРАЛНИ СОЛИ

Може да бъде разтворен или неразтворен. Молекулите на минералните соли във воден разтвор се разлагат на катиони и аниони.

Съдържанието на вода в различните растителни органи варира в доста широки граници. Променя се в зависимост от условията на околната среда, възрастта и растителните видове. И така, съдържанието на вода в листата на марулята е 93-95%, царевицата - 75-77%. Количеството вода не е еднакво в различните растителни органи: в листата на слънчогледа водата съдържа 80-83%, в стъблата - 87-89%, в корените - 73-75%. Съдържанието на вода, равно на 6-11%, е характерно предимно за въздушно-сухите семена, при които се инхибират жизнените процеси.

Водата се съдържа в живите клетки, в мъртвите елементи на ксилема и в междуклетъчните пространства. В междуклетъчните пространства водата е в парно състояние. Основните изпарителни органи на растението са листата. В тази връзка е естествено, че най-голямо количество вода запълва междуклетъчните пространства на листата. В течно състояние водата е в различни частиклетки: клетъчна мембрана, вакуола, протоплазма. Вакуолите са най-богатата на вода част от клетката, където съдържанието й достига 98%. При най-високо водно съдържание съдържанието на вода в протоплазмата е 95%. Най-малко съдържаниеводата е характерна за клетъчните мембрани. Трудно е да се определи количествено съдържанието на вода в клетъчните мембрани; очевидно варира от 30 до 50%.

Форми на водата в различни частирастителните клетки 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 с високополимерни съединения (целулоза, хемицелулоза, пектинови вещества), т.е. колоидно свързана вода. В самата цитоплазма има свободна вода, колоидна и осмотично свързана. Водата, разположена 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 наличие на две системи с различни концентрации на вещества, когато те комуникират през полупропусклива мембрана. В този случай, според законите на термодинамиката, изравняването на концентрацията се дължи на веществото, за което мембраната е пропусклива.

Когато разглеждаме две системи с различни концентрации на осмотично активни вещества, следва, че изравняването на концентрациите в система 1 и 2 е възможно само поради движението на водата. В система 1 концентрацията на вода е по-висока, следователно водният поток се насочва от система 1 към система 2. При достигане на равновесие действителният поток ще бъде равен на нула.

Растителната клетка може да се разглежда като осмотична система. Клетъчната стена, която заобикаля клетката, има известна еластичност и може да се разтяга. Вакуолите 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 една клетка навлезе в околната среда, където концентрацията на осмотично активни вещества ще бъде по-ниска от концентрацията вътре в клетката (или клетката е поставена във вода), водата, съгласно законите на осмозата, трябва да влезе в клетката .

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

Воден потенциал(Ψ c) - индикатор за термодинамичното състояние на водата. Водните молекули 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 тяхната обща сума е по-голяма. кинетична енергия... Чистата (дестилирана) вода има максимален воден потенциал. Водният потенциал на такава система условно се приема за нула.

Единицата за измерване на водния потенциал е единицата за налягане: атмосфери, паскали, барове:

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

1 атм = 1,0132 бара; 1000 kPa = 1 MPa

Когато друго вещество се разтваря 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 количество, наречено осмотичен потенциал(Ψ осм.). Осмотичният потенциал е мярка за намаляването на водния потенциал поради наличието на разтворени вещества. Колкото повече са молекулите на разтвореното вещество в разтвора, толкова по-нисък е осмотичният потенциал.

Когато водата навлезе в клетката, нейният размер се увеличава, хидростатичното налягане се повишава вътре в клетката, което принуждава плазмалемата да се притиска към клетъчната стена. Клетъчната мембрана от своя страна упражнява обратно налягане, което се характеризира с потенциал за налягане(Ψ налягане) или хидростатичен потенциал, обикновено е положителен и колкото повече, толкова повече водав клетка.

По този начин водният потенциал на клетката зависи от концентрацията на осмотично активни вещества - осмотичен потенциал (Ψ osm.) и от 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 c. = Ψ osm.

Когато водата навлезе в клетката, се появява противоналягане на клетъчната мембрана, водният потенциал ще бъде е равно на разликатамежду осмотичен потенциал и потенциал за налягане:

Ψ c. = Ψ osm. + Ψ налягане

Разликата между осмотичния потенциал на клетъчния сок и обратното налягане на клетъчната мембрана определя потока на вода във всеки даден момент.

При условие, че клетъчната мембрана е разтегната до границата, осмотичният потенциал е напълно балансиран от противоналягането на клетъчната мембрана, водният потенциал става равно на нула, водата спира да тече в клетката:

- Ψ osm. = 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 също може да влезе в клетката поради силите на подуване. Протеините и други вещества, които изграждат клетката, имащи 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 набъбнат. Водата прониква в набъбващата структура чрез дифузия, движението на водата следва градиент на концентрация. Силата на набъбване се обозначава с термина матричен потенциал(Ψ матр.). Зависи от наличието на високомолекулни компоненти на клетката. Потенциалът на матрицата винаги е отрицателен. Голямо значениеΨ матр. има при поглъщане на вода от структури, в които няма вакуоли (семена, меристемни клетки).

Водата е най-разпространена химично съединениена Земята неговата маса е най-голямата в жив организъм. Смята се, че водата съставлява 85% от общата маса на средностатичната 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 бозайник. 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 женските малко по-малко от 52%. Какво причини това? 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 с около 6-10% по-ниско, отколкото в мъжкото.

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 появата на ковалентна полярна връзка във водната молекула. Водната молекула има формата на триъгълник (87), в който електрическите заряди са разположени асиметрично, и е дипол (запомнете определението 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 физически - 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 тялото Водата е разтворител. Полярната структура на водната молекула обяснява нейните свойства като разтворител. Водните молекули взаимодействат с химични вещества, 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, поради което може да се използва в тялото многократно. Водата служи като транспортна среда различни веществавътре в тялото. Освен това крайните продукти на обмяната на веществата се отделят от тялото главно в разтворен вид.

Има два основни типа решения в живите същества. (Запомнете класификацията на решенията.)

Т.нар истинско решениекогато молекулите на разтворителя са със същия размер като молекулите на разтворимото вещество, те се разтварят. В резултат на това настъпва дисоциация и се образуват йони. В този случай разтворът е хомогенен и по отношение на научен език, 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 са в състояние да провеждат електричествои са електролити, като всички разтвори, намиращи се 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 от вещество, които се наричат ​​колоидни, се движат свободно във водния стълб, тъй като силата на тяхното привличане не надвишава силата на връзките им с молекулите на разтворителя. Такова решение се счита за хетерогенно, тоест състоящо 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 (като протеини), които имат свойствата на колоидни частици. Следователно цитоплазмата на всяка клетка, кръвта или лимфата на животни, млякото на бозайници съдържа едновременно йони и колоидни частици.

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

Свойства на водата

Дифузията (от лат. Diffusion - разпространение, разпръскване, разпръскване) в биологични разтвори се проявява като тенденция към изравняване на концентрацията на структурните частици на разтворените вещества (йони и колоидни частици), което в крайна сметка води до равномерно разпределение на веществото в решение. Благодарение на дифузията много едноклетъчни същества се хранят, кислородът и хранителните вещества се транспортират през тялото на животните при липса на кръвоносна и дихателна система в тях (не забравяйте какви животни са). Освен това транспортирането на много вещества до клетките се осъществява именно благодарение на дифузията.

Друго физическо явление е осмозата (от гръцки. Osmosis - тласкане, налягане) - движението на разтворител през полупропусклива мембрана. Осмозата кара водата да се измести от разтвор с ниска концентрация на разтворени вещества и високо съдържание на Н20 в разтвор с висока концентрация на разтворени вещества и ниско съдържание на вода. В биологичните системи това не е нищо повече от транспортиране 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 клетките им получават хранителни вещества и поддържат 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 набъбват и се разкъсват поради внезапния приток на вода.

1. Каква структура има водата?

Отговор. Молекулата на водата има ъглова структура: ядрата, включени в нейния състав, образуват равнобедрен триъгълник, в основата на който има два водорода, а на върха има кислороден атом. Междуядрен O-N разстоянияса близки 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 комуникация O-N, а останалите четири електрона представляват две самотни електронни двойки.

Водната молекула е малък дипол, съдържащ положителни и отрицателни заряди на полюсите. Има липса на електронна плътност в близост до водородни ядра и нататък обратната странамолекула, близо до кислородното ядро, има излишък от електронна плътност. Именно тази структура определя полярността на водната молекула.

2. Какво количество вода (в%) се съдържа в различните клетки?

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

Съдържанието на вода в различните растителни органи варира в доста широки граници. Променя се в зависимост от условията на околната среда, възрастта и растителните видове. И така, съдържанието на вода в листата на марулята е 93-95%, царевицата - 75-77%. Количеството вода не е еднакво в различните растителни органи: в листата на слънчогледа водата съдържа 80-83%, в стъблата - 87-89%, в корените - 73-75%. Съдържанието на вода, равно на 6-11%, е характерно предимно за въздушно-сухите семена, при които се инхибират жизнените процеси. Водата се съдържа в живите клетки, в мъртвите елементи на ксилема и в междуклетъчните пространства. В междуклетъчните пространства водата е в парно състояние. Основните изпарителни органи на растението са листата. В тази връзка е естествено, че най-голямо количество вода запълва междуклетъчните пространства на листата. В течно състояние водата се намира в различни части на клетката: клетъчна мембрана, вакуоли, цитоплазма. Вакуолите са най-богатата на вода част от клетката, където съдържанието й достига 98%. При най-високо водно съдържание съдържанието на вода в цитоплазмата е 95%. Най-ниското водно съдържание е характерно за клетъчните мембрани. Трудно е да се определи количествено съдържанието на вода в клетъчните мембрани; 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 структурните си особености: водните молекули са с диполна форма 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 те протичат само във водната среда. Веществата, които се разтварят във вода, се наричат ​​хидрофилни (алкохоли, захари, алдехиди, аминокиселини), неразтворими - 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. Придвижването на разтворените в него вещества през тялото заедно с водата към различните му части и отстраняването на ненужните продукти от тялото.

4. Водата като термостабилизатор и термостат. Тази функция се дължи на такива свойства на водата като висок топлинен капацитет - омекотява ефекта върху тялото на значителни температурни промени в заобикаляща среда; висока топлопроводимост - позволява на тялото да поддържа една и съща температура в целия си обем; висока топлина на изпаряване - използва се за охлаждане на тялото по време на изпотяване при бозайници и транспирация при растенията.

5. Структурна функция. Цитоплазмата на клетките съдържа от 60 до 95% вода и именно тя придава на клетките нормалната им форма. При растенията водата поддържа тургор (еластичност 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 полярни Н атома ковалентни връзки... Характерното подреждане 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 се изместват във водната молекула в нейната посока. Следователно, въпреки че молекулата на водата като цяло не е заредена, всеки от двата водородни атома има частично положителен заряд (означен с 8+), а кислородният атом носи частично отрицателен заряд (8-). Водната молекула е поляризирана и е дипол (има два полюса).

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

2. Какво е значението на водата като разтворител?

Отговор. Поради полярността на молекулите и способността да образува водородни връзки, водата лесно разтваря йонни съединения (соли, киселини, основи). Някои нейонни, но полярни съединения също се разтварят добре във вода, т.е., в чиято молекула присъстват заредени (полярни) групи, например захари, прости алкохоли, аминокиселини. Веществата, които са лесно разтворими във вода, се наричат ​​хидрофилни (от гръцки hygros - влажен и philia - приятелство, склонност). Когато веществото влезе в разтвор, неговите молекули или йони могат да се движат по-свободно и следователно реактивността на веществото се увеличава. Това обяснява защо водата е основната среда, в която протичат повечето химични реакции, а всички реакции на хидролиза и множество редокс 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, нуклеинови киселини, 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 (О2, СО2 и др.).

3. Каква е топлопроводимостта и топлинния капацитет на водата?

Отговор. Водата има висок топлинен капацитет, тоест способност да абсорбира Термална енергияс минимално повишаване на собствената си температура. Високият топлинен капацитет на водата предпазва телесните тъкани от бързо и силно повишаване на температурата. Много организми се охлаждат чрез изпаряване на водата (транспирация в растенията, изпотяване при животните).

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

Отговор. Високо съдържание на вода в клетката - съществено условиенейните дейности. При загубата на по-голямата част от водата много организми умират, а редица едноклетъчни и дори многоклетъчни организми временно губят всички признаци на живот. Това състояние се нарича спряна анимация. След хидратация клетките се събуждат и отново стават активни.

Водната молекула е електрически неутрална. Но електрически зарядтой се разпределя неравномерно вътре в молекулата: в областта на водородните атоми (по-точно протоните) преобладава положителен заряд, в областта, където се намира кислородът, плътността е по-висока отрицателен заряд... Следователно, частица вода е дипол. Диполното свойство на водната молекула обяснява способността й да се ориентира в електрическо поле, да се прикрепя към различни молекули и части от молекули, които носят заряд. В резултат на това се образуват хидрати. Способността на водата да образува хидрати се дължи на нейните универсални разтварящи свойства. Ако енергията на привличане на водни молекули към молекули на някое вещество е по-голяма от енергията на привличане между водните молекули, тогава веществото се разтваря. В зависимост от това има хидрофилни (на гръцки hydros - вода и phileo - обичам) вещества, които са лесно разтворими във вода (например соли, основи, киселини и др.), и хидрофобни (на 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 в друга.

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

Водата има висок топлинен капацитет и в същото време относително висока топлопроводимост за течности. Тези свойства правят водата идеална течност за поддържане на топлинно равновесие между клетката и тялото.

Водата е основната среда за биохимичните реакции на клетката. Той е източник на кислород, освободен по време на фотосинтезата, и водород, който се използва за възстановяване на продуктите от асимилацията на въглероден диоксид. И накрая, водата е основното средство за движение на веществата в тялото (поток на кръв и лимфа, 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 разтваряне 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 химични вещества(ряд соли, захари);

Участие в редица химични реакции;

Участие в процеса на регулиране на топлината поради възможността за бавно нагряване и бавно охлаждане.

6. Кои са структурните и физикохимичните свойства на водата я определят биологична роляв клетка?

Отговор. Структурните физикохимични свойства на водата определят нейните биологични функции.

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

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

Водата също има висока топлопроводимост, осигуряваща равномерно разпределение на топлината в тялото. Следователно, високата специфична топлина и високата топлопроводимост правят водата идеална течност за поддържане на топлинно равновесие между клетката и тялото.

Водата практически не се компресира, създавайки тургорно налягане, определяйки обема и еластичността на клетките и тъканите. Така че хидростатичният скелет поддържа формата си в кръгли червеи, медузи и други организми.

Водата се характеризира със стойността на силата на повърхностно напрежение, която е оптимална за биологичните системи, която възниква поради образуването на водородни връзки между молекулите на водата и молекулите на други вещества. Поради силата на повърхностното напрежение се появява капилярен кръвоток, възходящи и низходящи течения на разтвори в растенията.

При определени биохимични процеси водата действа като субстрат.

Съдържанието на вода в различните растителни органи варира в доста широки граници. Променя се в зависимост от условията на околната среда, възрастта и растителните видове. И така, съдържанието на вода в листата на марулята е 93-95%, царевицата - 75-77%. Количеството вода не е еднакво в различните растителни органи: в листата на слънчогледа водата съдържа 80-83%, в стъблата - 87-89%, в корените - 73-75%. Съдържанието на вода, равно на 6-11%, е характерно предимно за въздушно-сухите семена, при които се инхибират жизнените процеси.

Водата се съдържа в живите клетки, в мъртвите елементи на ксилема и в междуклетъчните пространства. В междуклетъчните пространства водата е в парно състояние. Основните изпарителни органи на растението са листата. В тази връзка е естествено, че най-голямо количество вода запълва междуклетъчните пространства на листата. В течно състояние водата се намира в различни части на клетката: клетъчна мембрана, вакуоли, цитоплазма. Вакуолите са най-богатата на вода част от клетката, където съдържанието й достига 98%. При най-високо водно съдържание съдържанието на вода в цитоплазмата е 95%. Най-ниското водно съдържание е характерно за клетъчните мембрани. Трудно е да се определи количествено съдържанието на вода в клетъчните мембрани; 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 с високополимерни съединения (целулоза, хемицелулоза, пектинови вещества), т.е. колоидно свързана вода. В самата цитоплазма има свободна вода, колоидно и осмотично свързана. Водата, разположена на разстояние до 1 nm от повърхността на протеиновата молекула, е здраво свързана и няма правилна шестоъгълна структура (колоидно свързана вода). Освен това в цитоплазмата има известно количество йони и следователно част от водата е осмотично свързана.

Физиологичното значение на свободната и свързаната вода е различно. Според повечето изследователи 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.

За нормалното си съществуване клетките и растителният организъм като цяло трябва да съдържат определено количество вода. Това обаче се постига лесно само за растения, растящи във вода. За сухоземните растения тази задача се усложнява от факта, че водата в растителния организъм непрекъснато се губи по време на процеса на изпаряване. Изпаряването на водата от растението достига огромни размери. Може да се даде пример: едно царевично растение изпарява до 180 кг вода през вегетационния период, а 1 хектар гора в Южна Америкаизпарява средно 75 хиляди кг вода на ден. Огромната консумация на вода се дължи на факта, че повечето растения имат значителна листна площ в атмосферата, която няма наситени с паривода. В същото време е необходимо развитието на обширна листна повърхност, която се развива в хода на продължителна еволюция, за да се осигури нормално снабдяване с въглероден диоксид, съдържащ се във въздуха в незначителна концентрация (0,03%). В известната си книга "Борба с растенията със сушата" К.А. Тимирязев посочи, че противоречието между необходимостта от улавяне въглероден двуокиси намаляването на консумацията на вода остави отпечатък върху структурата на целия растителен организъм.

За да се компенсира загубата на вода при изпаряване, голямо количество от нея трябва непрекъснато да постъпва в инсталацията. Два непрекъснати процеса в растението - приемане и изпаряване на вода - се наричат водния баланс на растенията.За нормален растеж и развитие на растенията е необходимо водният поток приблизително да съответства на пристигането или, с други думи, растението да намалява водния си баланс без голям дефицит. За това в растението, в процеса на естествен подбор, са се развили адаптации към усвояването на вода (колосално развити кореновата система), за движението на водата (специална проводяща система), за намаляване на изпарението (системата от покривни тъкани и системата за автоматично затваряне на устните отвори).

Въпреки всички тези адаптации, в растението често се наблюдава дефицит на вода, тоест потокът на водата не се балансира от консумацията й в процеса на транспирация.

Физиологични нарушения се срещат в различни растения с различна степен на недостиг на вода. Има растения, които са развили в процеса на еволюция различни адаптации към пренасянето на дехидратация (устойчиви на суша растения). Изясняването на физиологичните характеристики, които определят устойчивостта на растенията към липса на вода, е най-важният проблем, чието решение е от голямо не само теоретично, но и селскостопанско практическо значение. В същото време, за да се реши, е необходимо да се познават всички аспекти на водния обмен в растителния организъм.