Voda je najzastupljeniji spoj na Zemlji iu živim organizmima. Sadržaj vode u stanicama ovisi o prirodi metaboličkih procesa: što su intenzivniji, to je veći sadržaj vode.

U prosjeku, ćelije odrasle osobe sadrže 60-70% vode. Kada se izgubi 20% vode, organizmi umiru. Bez vode čovjek može živjeti najviše 7 dana, a bez hrane ne više od 40 dana.

Rice. 4.1. Prostorna struktura molekula vode (H 2 O) i formiranje vodikove veze

Molekul vode (H 2 O) sastoji se od dva atoma vodika koji su kovalentno vezani za atome kiseonika. Molekula je polarna, jer je savijena pod kutom i jezgro atoma kisika vuče zajedničke elektrone prema tom kutu, tako da kisik dobiva djelomično negativan naboj, a atomi vodika na otvorenim krajevima - djelomično pozitivne naboje. Molekule vode su sposobne da se privlače jedna drugoj pozitivnim i negativnim nabojem, formirajući vodonična veza (Slika 4.1.).

Zbog jedinstvene strukture molekula vode i njihove sposobnosti da se međusobno vežu pomoću vodonične veze voda ima niz svojstava koja je određuju važnu ulogu u ćeliji i telu.

Vodikove veze uzrokuju relativno visoke temperature ključanja i isparavanja, veliki toplinski kapacitet i toplotnu provodljivost vode i svojstvo univerzalnog rastvarača.

Vodikove veze su 15-20 puta slabije od kovalentnih. V tečno stanje formiraju se ili prekidaju vodonične veze, što uzrokuje kretanje molekula vode, njenu tečnost.

Biološka uloga H 2 O

Voda definiše fizička svojstvaćelije - njen volumen, elastičnost (turgor). Ćelija sadrži 95-96% slobodne vode i 4-5% vezane vode. Vezana voda formira vodene (solvatne) ljuske oko određenih spojeva (na primjer, proteina), sprečavajući njihovu međusobnu interakciju.

Besplatna voda je dobar rastvarač za mnoge anorganske i organske polarne supstance. Supstance koje su lako rastvorljive u vodi nazivaju se hidrofilna. Na primjer, alkoholi, kiseline, plinovi, većina soli natrijuma, kalija, itd. Za hidrofilne supstance, energija vezivanja između njihovih atoma je manja od energije privlačenja ovih atoma za molekule vode. Stoga se njihovi molekuli ili ioni lako ugrađuju zajednički sistem vodonične veze vode.

Kao univerzalni rastvarač, voda igra izuzetno važnu ulogu kao i većina hemijske reakcije javlja se u vodenim rastvorima. Prodiranje tvari u ćeliju i uklanjanje otpadnih tvari iz nje u većini slučajeva moguće je samo u otopljenom obliku.

Voda ne otapa nepolarne (bez naboja) tvari, jer s njima ne može formirati vodikove veze. Supstance nerastvorljive u vodi se nazivaju hidrofobna ... To uključuje masti, tvari slične mastima, polisaharide, gumu.

Neki organski molekuli imaju dvostruka svojstva: u nekim dijelovima se nalaze polarne grupe, a u drugim nepolarne grupe. Takve supstance se nazivaju amfipatski ili amfifilni... To uključuje proteine, masne kiseline, fosfolipide, nukleinske kiseline... Amfifilna jedinjenja igraju važnu ulogu u organizaciji bioloških membrana, složenih supramolekularnih struktura.

Voda je direktno uključena u reakcije hidroliza- cijepanje organskih jedinjenja. U ovom slučaju, pod djelovanjem posebnih enzima do slobodnih valencija organskih molekula spajaju se joni OH - i H + vode. Kao rezultat, nastaju nove tvari s novim svojstvima.

Voda ima visok toplotni kapacitet (tj. sposobnost da apsorbuje toplotu uz neznatne promene sopstvene temperature) i dobru toplotnu provodljivost. Zbog ovih svojstava, temperatura unutar ćelije (i tijela) se održava na određenom nivou uz značajne promjene temperature okoline.

Bitan biološki značaj Za funkcionisanje biljaka, hladnokrvnih životinja ima činjenica da pod uticajem rastvorenih supstanci (ugljikohidrati, glicerin) voda može promeniti svoja svojstva, posebno tačke smrzavanja i ključanja.

Svojstva vode su toliko važna za žive organizme da je nemoguće zamisliti postojanje života kakvog poznajemo, ne samo na Zemlji, već i na bilo kojoj drugoj planeti bez dovoljne količine vode.

MINERALNE SOLI

Može biti rastvoren ili neotopljen. Molekuli mineralnih soli u vodenom rastvoru se razlažu na katione i anione.

Sadržaj vode u različitim biljnim organima varira u prilično širokim granicama. Mijenja se u zavisnosti od uslova okoline, starosti i biljnih vrsta. Dakle, sadržaj vode u listovima zelene salate je 93-95%, kukuruzu - 75-77%. Količina vode nije ista u različitim biljnim organima: u listovima suncokreta vode sadrži 80-83%, u stabljikama - 87-89%, u korijenu - 73-75%. Sadržaj vode od 6-11% tipičan je uglavnom za zračno suvo sjeme, u kojem su vitalni procesi inhibirani.

Voda se nalazi u živim ćelijama, u mrtvim elementima ksilema i u međućelijskim prostorima. U međućelijskim prostorima voda je u parnom stanju. Glavni organi za isparavanje biljke su listovi. S tim u vezi, prirodno je da najveća količina vode ispunjava međućelijske prostore listova. U tečnom stanju, voda je u različitim dijelovimaćelije: ćelijska membrana, vakuola, protoplazma. Vakuole su najbogatiji dio ćelije vodom, gdje njen sadržaj dostiže 98%. Sa najvećim sadržajem vode, sadržaj vode u protoplazmi je 95%. Najmanje sadržaja voda je karakteristična za ćelijske membrane. Teško je kvantificirati sadržaj vode u ćelijskim membranama; očigledno se kreće od 30 do 50%.

Oblici vode u različitim dijelovima biljne ćelije su takođe različite. U vakuolarnom ćelijskom soku dominira voda koju drže spojevi relativno niske molekularne težine (osmotski vezani) i slobodna voda. U ljusci biljne ćelije voda je uglavnom vezana visokopolimernim spojevima (celuloza, hemiceluloza, pektinske supstance), odnosno koloidno vezana voda. U samoj citoplazmi nalazi se slobodna voda, koloidna i osmotski vezana. Voda koja se nalazi na udaljenosti do 1 nm od površine proteinske molekule je čvrsto vezana i nema pravilnu heksagonalnu strukturu (koloidno vezana voda). Osim toga, u protoplazmi postoji određena količina jona, pa je dio vode osmotski vezan.

Fiziološki značaj slobodne i vezane vode je različit. Većina istraživača vjeruje da intenzitet fizioloških procesa, uključujući brzinu rasta, ovisi prvenstveno o sadržaju slobodne vode. Postoji direktna korelacija između sadržaja vezane vode i otpornosti biljaka na nepovoljne vanjske uvjete. Ove fiziološke korelacije se ne primjećuju uvijek.

Biljna ćelija upija vodu u skladu sa zakonima osmoze. Osmoza se opaža u prisustvu dva sistema sa različitim koncentracijama supstanci, kada komuniciraju kroz polupropusnu membranu. U ovom slučaju, prema zakonima termodinamike, do nivelacije koncentracije dolazi zbog tvari za koju je membrana propusna.

Kada se posmatraju dva sistema sa različitim koncentracijama osmotski aktivnih supstanci, proizilazi da je izjednačavanje koncentracija u sistemu 1 i 2 moguće samo zbog kretanja vode. U sistemu 1 koncentracija vode je veća, pa se tok vode usmjerava iz sistema 1 u sistem 2. Po dostizanju ravnoteže, stvarni protok će biti jednak nuli.

Biljna ćelija se može posmatrati kao osmotski sistem. Ćelijski zid koji okružuje ćeliju ima određenu elastičnost i može se rastegnuti. Vakuole akumuliraju tvari topljive u vodi (šećeri, organske kiseline, soli) koje imaju osmotsku aktivnost. Tonoplast i plazmalema u ovom sistemu obavljaju funkciju polupropusne membrane, budući da su ove strukture selektivno propusne, a voda kroz njih prolazi mnogo lakše od tvari otopljenih u ćelijskom soku i citoplazmi. S tim u vezi, ako ćelija uđe u okolinu, u kojoj će koncentracija osmotski aktivnih supstanci biti niža od koncentracije unutar ćelije (ili se ćelija stavi u vodu), voda, prema zakonima osmoze, mora ući u ćeliju. .

Sposobnost molekula vode da se kreću s jednog mjesta na drugo mjeri se potencijalom vode (Ψw). Prema zakonima termodinamike, voda se uvijek kreće iz područja s većim potencijalom vode u područje s nižim potencijalom.

Potencijal vode(Ψ c) - indikator termodinamičkog stanja vode. Molekuli vode imaju kinetičku energiju; kreću se nasumično u tekućini i vodenoj pari. Potencijal vode je veći u sistemu gdje je koncentracija molekula veća i njihov ukupni veći. kinetička energija... Čista (destilirana) voda ima maksimalan potencijal vode. Potencijal vode takvog sistema konvencionalno se uzima kao nula.

Jedinica mjerenja potencijala vode je jedinica tlaka: atmosfere, paskali, bari:

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

1 atm = 1,0132 bara; 1000 kPa = 1 MPa

Kada se druga tvar otopi u vodi, koncentracija vode opada, kinetička energija molekula vode opada, a potencijal vode opada. U svim rastvorima potencijal vode je manji od potencijala čiste vode, tj. pod standardnim uslovima, izražava se kao negativna vrednost. Kvantitativno, ovo smanjenje se izražava veličinom tzv osmotski potencijal(Ψ osm.). Osmotski potencijal je mjera smanjenja potencijala vode zbog prisustva otopljenih tvari. Što je više molekula otopljene tvari u otopini, to je osmotski potencijal niži.

Kada voda uđe u ćeliju, njena veličina se povećava, hidrostatički pritisak raste unutar ćelije, što prisiljava plazmalemu da pritisne zid ćelije. Ćelijska membrana, zauzvrat, vrši povratni pritisak, koji karakteriše potencijal pritiska(Ψ pritisak) ili hidrostatički potencijal, obično je pozitivan i što više, više vode u kavezu.

Dakle, vodeni potencijal ćelije zavisi od koncentracije osmotski aktivnih supstanci – osmotskog potencijala (Ψ osm.) i od potencijala pritiska (Ψ pritiska).

Pod uslovom da voda ne pritiska na ćelijsku membranu (stanje plazmolize ili venuća), povratni pritisak ćelijske membrane je nula, potencijal vode jednak je osmotskom:

Ψ c. = Ψ osm.

Kako voda ulazi u ćeliju, javlja se protivpritisak ćelijske membrane, potencijal vode će biti jednaka je razlici između osmotskog potencijala i potencijala pritiska:

Ψ c. = Ψ osm. + Ψ pritisak

Razlika između osmotskog potencijala ćelijskog soka i povratnog pritiska ćelijske membrane određuje protok vode u bilo kom trenutku.

Pod uslovom da je ćelijska membrana rastegnuta do granice, osmotski potencijal je u potpunosti uravnotežen protivpritiskom ćelijske membrane, potencijal vode postaje jednak nuli, voda prestaje da teče u ćeliju:

- Ψ osm. = Ψ pritisak , Ψ c. = 0

Voda uvijek teče u smjeru negativnijeg potencijala vode: iz sistema gdje je energija veća, u sistem gdje je energija manja.

Voda također može ući u ćeliju zbog sile bubrenja. Proteini i druge tvari koje čine ćeliju, imaju pozitivno i negativno nabijene grupe, privlače vodene dipole. Stanični zid, koji sadrži hemiceluloze i pektinske tvari, te citoplazma, u kojoj visokomolekularna polarna jedinjenja čine oko 80% suhe mase, sposobni su za bubrenje. Voda prodire u strukturu bubrenja difuzijom, kretanje vode prati gradijent koncentracije. Sila bubrenja se označava terminom matrični potencijal(Ψ matr.). Zavisi od prisutnosti komponenti visoke molekularne težine u ćeliji. Potencijal matrice je uvijek negativan. Velika važnostΨ matr. ima pri upijanju vode strukturama u kojima nema vakuola (sjemenke, meristemske ćelije).

Voda je najčešća hemijsko jedinjenje na Zemlji, njegova masa je najveća u živom organizmu. Procjenjuje se da voda čini 85% ukupne mase srednjestatičke ćelije. Dok u ljudskim ćelijama voda u prosjeku iznosi oko 64%. Međutim, sadržaj vode u različitim ćelijama može značajno varirati: od 10% u ćelijama zubne cakline do 90% u ćelijama embriona sisara. Štaviše, mlade ćelije sadrže više vode od starih. Dakle, u ćelijama bebe vode je 86%, u ćelijama starije osobe samo 50%.

Kod mužjaka sadržaj vode u kavezima je u prosjeku 63%, kod ženki nešto manje od 52%. Šta je izazvalo ovo? Ispostavilo se da je sve jednostavno. U ženskom tijelu ima puno masnog tkiva, u čijim ćelijama ima malo vode. Stoga je sadržaj vode u ženskom tijelu oko 6-10% manji nego u muškom tijelu.

Jedinstvena svojstva vode su posljedica strukture njene molekule. Iz kursa hemije znate da je različita elektronegativnost atoma vodika i kiseonika uzrok pojave kovalentne polarne veze u molekulu vode. Molekul vode ima oblik trokuta (87), u kojem su električni naboji raspoređeni asimetrično, i predstavlja dipol (zapamtite definiciju ovog pojma).

Zbog elektrostatičke privlačnosti atoma vodika jedne molekule vode prema atomu kisika druge molekule, između molekula vode nastaju vodikove veze.

Karakteristike strukture i fizičke - Hemijska svojstva voda (sposobnost vode da bude univerzalni rastvarač, varijabilna gustina, veliki toplotni kapacitet, visoka površinska napetost, fluidnost, kapilarnost itd.), što određuju njen biološki značaj.

Koje funkcije voda obavlja u tijelu Voda je rastvarač. Polarna struktura molekule vode objašnjava njena svojstva kao rastvarača. Molekuli vode stupaju u interakciju s kemijskim tvarima čiji elementi imaju elektrostatičke veze i razlažu ih na anione i katione, što dovodi do kemijskih reakcija. Kao što znate, mnoge hemijske reakcije se odvijaju samo u vodenom rastvoru. U isto vrijeme, sama voda ostaje inertna, pa se može više puta koristiti u tijelu. Voda služi kao transportni medij razne supstance unutar tijela. Osim toga, krajnji produkti metabolizma izlučuju se iz tijela uglavnom u otopljenom obliku.

Postoje dvije glavne vrste rješenja u živim bićima. (Zapamtite klasifikaciju rješenja.)

Takozvani istinito rešenje kada su molekuli rastvarača iste veličine kao i molekuli rastvorljive supstance, oni se rastvaraju. Kao rezultat, dolazi do disocijacije i formiranja jona. U ovom slučaju, rješenje je homogeno i, u smislu naučni jezik, sastoji se od jedne tečne faze. Tipični primjeri su otopine mineralnih soli, kiselina ili lužina. Pošto u takvim rastvorima postoje naelektrisane čestice, one su u stanju da provode struja i elektroliti su, kao i sve otopine koje se nalaze u tijelu, uključujući krv kralježnjaka, koja sadrži mnoge mineralne soli.

Koloidna otopina je slučaj kada su molekuli otapala mnogo manje veličine od molekula otopljene tvari. U takvim otopinama, čestice tvari, koje se nazivaju koloidne, slobodno se kreću u stupcu vode, jer sila njihovog privlačenja ne prelazi snagu njihovih veza s molekulima otapala. Takvo rješenje se smatra heterogenim, odnosno sastoji se od dvije faze - tekuće i čvrste. Sve biološke tekućine su mješavine koje uključuju prave i koloidne otopine, budući da sadrže i mineralne soli i ogromne molekule (kao što su proteini) koji imaju svojstva koloidnih čestica. Stoga citoplazma bilo koje stanice, krv ili limfa životinja, mlijeko sisara istovremeno sadrže ione i koloidne čestice.

Kao što se vjerovatno sjećate, biološki sistemi poštuju sve zakone fizike i hemije, stoga se fizičke pojave promatraju u biološkim otopinama koje igraju značajnu ulogu u životu organizama.

Svojstva vode

Difuzija (od lat. Diffusion - širenje, širenje, raspršivanje) u biološkim rastvorima se manifestuje kao težnja ka izjednačavanju koncentracije strukturnih čestica rastvorenih supstanci (jona i koloidnih čestica), što u konačnici dovodi do ujednačene raspodele supstance u rješenje. Zahvaljujući difuziji mnoga jednoćelijska stvorenja se hrane, kisik i hranjive tvari se transportuju kroz tijelo životinja u nedostatku cirkulacijskog i respiratornog sustava u njima (sjetite se kakve su to životinje). Osim toga, transport mnogih tvari do stanica odvija se upravo zahvaljujući difuziji.

Drugi fizički fenomen je osmoza (od grč. Osmosis - potiskivanje, pritisak) - kretanje rastvarača kroz polupropusnu membranu. Osmoza uzrokuje da voda izlazi iz otopine s niskom koncentracijom otopljenih tvari i visokim sadržajem H20 u otopini s visokom koncentracijom otopljenih tvari i niskim sadržajem vode. U biološkim sistemima to nije ništa drugo do transport vode na nivou ćelije. Zbog toga osmoza igra značajnu ulogu u mnogim biološkim procesima. Snaga osmoze osigurava kretanje vode u biljnim i životinjskim organizmima, zbog čega njihove stanice primaju hranjive tvari i održavaju stalan oblik. Treba napomenuti da što je veća razlika u koncentraciji supstance, to je veći osmotski pritisak. Stoga, ako se ćelije stave u hipotonični rastvor, one bubre i pucaju usled naglog priliva vode.

1. Kakvu strukturu ima voda?

Odgovori. Molekula vode ima kutnu strukturu: jezgre uključene u njegov sastav formiraju jednakokraki trokut, u čijoj se osnovi nalaze dva vodika, a na vrhu atom kisika. Internuclear O-N udaljenosti su blizu 0,1 nm, rastojanje između jezgara atoma vodika je 0,15 nm. Od šest elektrona koji čine vanjski elektronski sloj atoma kisika u molekuli vode, dva elektronska para formiraju kovalentna komunikacija O-N, a ostala četiri elektrona predstavljaju dva usamljena elektronska para.

Molekul vode je mali dipol koji sadrži pozitivne i negativne naboje na polovima. Postoji nedostatak elektronske gustine u blizini jezgara vodonika, i dalje Suprotna strana molekula, u blizini jezgra kiseonika, postoji višak elektronske gustine. Upravo ova struktura određuje polaritet molekula vode.

2. Koju količinu vode (u%) sadrže različite ćelije?

Količina vode nije ista u različitim tkivima i organima. Dakle, kod ljudi njegov sadržaj u sivoj tvari mozga iznosi 85%, au koštanom tkivu - 22%. Najveći sadržaj vode u tijelu uočen je u embrionalnom periodu (95%) i postepeno opada s godinama.

Sadržaj vode u različitim biljnim organima varira u prilično širokim granicama. Mijenja se u zavisnosti od uslova okoline, starosti i biljnih vrsta. Dakle, sadržaj vode u listovima zelene salate je 93-95%, kukuruzu - 75-77%. Količina vode nije ista u različitim biljnim organima: u listovima suncokreta vode sadrži 80-83%, u stabljikama - 87-89%, u korijenu - 73-75%. Sadržaj vode od 6-11% tipičan je uglavnom za zračno suvo sjeme, u kojem su vitalni procesi inhibirani. Voda se nalazi u živim ćelijama, u mrtvim elementima ksilema i u međućelijskim prostorima. U međućelijskim prostorima voda je u parnom stanju. Glavni organi za isparavanje biljke su listovi. S tim u vezi, prirodno je da najveća količina vode ispunjava međućelijske prostore listova. U tečnom stanju voda se nalazi u različitim dijelovima ćelije: ćelijskoj membrani, vakuolama, citoplazmi. Vakuole su najbogatiji dio ćelije vodom, gdje njen sadržaj dostiže 98%. Sa najvećim sadržajem vode, sadržaj vode u citoplazmi je 95%. Najmanji sadržaj vode karakterističan je za ćelijske membrane. Teško je kvantificirati sadržaj vode u ćelijskim membranama; očigledno se kreće od 30 do 50%. Različiti su i oblici vode u različitim dijelovima biljne ćelije.

3. Koja je uloga vode u živim organizmima?

Odgovori. Voda je dominantna komponenta svih živih organizama. Ima jedinstvena svojstva zbog svojih strukturnih karakteristika: molekule vode su dipolnog oblika i između njih se formiraju vodikove veze. Prosječan sadržaj vode u ćelijama većine živih organizama je oko 70%. Voda u ćeliji je prisutna u dva oblika: slobodna (95% sve ćelijske vode) i vezana (4-5% vezana za proteine).

Funkcije vode:

1. Voda kao rastvarač. Mnoge hemijske reakcije u ćeliji su jonske, pa se odvijaju samo u vodenoj sredini. Supstance koje se otapaju u vodi nazivaju se hidrofilne (alkoholi, šećeri, aldehidi, aminokiseline), nerastvorljive - hidrofobne (masne kiseline, celuloza).

2. Voda kao reagens. Voda je uključena u mnoge hemijske reakcije: reakcije polimerizacije, hidrolize, u procesu fotosinteze.

3. Transportna funkcija. Kretanje tvari otopljenih u njemu kroz tijelo zajedno s vodom do njegovih različitih dijelova i uklanjanje nepotrebnih produkata iz tijela.

4. Voda kao termostabilizator i termostat. Ova funkcija je posljedica takvih svojstava vode kao što je visok toplinski kapacitet - omekšava učinak na tijelo značajnih promjena temperature u okruženje; visoka toplotna provodljivost - omogućava tijelu da održi istu temperaturu u cijelom svom volumenu; visoka toplota isparavanja - koristi se za hlađenje tijela tokom znojenja kod sisara i transpiracije kod biljaka.

5. Strukturna funkcija. Citoplazma ćelija sadrži od 60 do 95% vode, koja ćelijama daje normalan oblik. U biljkama voda održava turgor (elastičnost endoplazmatske membrane), kod nekih životinja služi kao hidrostatski skelet (meduze)

Pitanja nakon § 7

1. Koja je posebnost strukture molekula vode?

Odgovori. Jedinstvena svojstva vode određena su strukturom njene molekule. Molekul vode se sastoji od O atoma vezanog za dva polarna H atoma kovalentne veze... Karakterističan raspored elektrona u molekuli vode daje joj električnu asimetriju. Elektronegativniji atom kisika jače privlači elektrone atoma vodika, uslijed čega se zajednički parovi elektrona pomiču u molekuli vode u njegovom smjeru. Stoga, iako molekula vode kao cjelina nije nabijena, svaki od dva atoma vodika ima djelomično pozitivan naboj (označen sa 8+), a atom kisika nosi djelomično negativan naboj (8-). Molekul vode je polarizovan i dipol je (ima dva pola).

Djelomično negativni atom kisika jedne molekule vode privlače djelomično pozitivni atomi vodika drugih molekula. Dakle, svaki molekul vode teži da se poveže vodonikom sa četiri susjedna molekula vode.

2. Kakav je značaj vode kao rastvarača?

Odgovori. Zbog polariteta molekula i sposobnosti stvaranja vodoničnih veza, voda lako otapa jonska jedinjenja (soli, kiseline, baze). Neka nejonska, ali polarna jedinjenja također se dobro otapaju u vodi, odnosno u čijoj molekuli su prisutne nabijene (polarne) grupe, na primjer, šećeri, jednostavni alkoholi, aminokiseline. Supstance koje su lako rastvorljive u vodi nazivaju se hidrofilnim (od grčkog hygros - vlažan i philia - prijateljstvo, sklonost). Kada supstanca pređe u rastvor, njeni molekuli ili ioni mogu se slobodnije kretati i samim tim se povećava reaktivnost supstance. To objašnjava zašto je voda glavni medij u kojem se odvija većina kemijskih reakcija, a sve reakcije hidrolize i brojne redoks reakcije odvijaju se uz direktno sudjelovanje vode.

Tvari koje su slabo ili potpuno netopive u vodi nazivaju se hidrofobne (od grčkog phobos - strah). To uključuje masti, nukleinske kiseline, neke proteine ​​i polisaharide. Takve tvari mogu formirati međusklopove s vodom, na kojima se odvijaju mnoge kemijske reakcije. Stoga je i činjenica da voda ne otapa nepolarne tvari vrlo važna za žive organizme. Među fiziološki važnim svojstvima vode je njena sposobnost rastvaranja gasova (O2, SO2 itd.).

3. Kolika je toplotna provodljivost i toplotni kapacitet vode?

Odgovori. Voda ima veliki toplotni kapacitet, odnosno sposobnost apsorpcije toplotnu energiju uz minimalno povećanje sopstvene temperature. Visok toplotni kapacitet vode štiti tjelesna tkiva od brzog i snažnog porasta temperature. Mnogi organizmi se hlade isparavanjem vode (transpiracija kod biljaka, znoj kod životinja).

4. Zašto se veruje da je voda idealna tečnost za ćeliju?

Odgovori. Visok sadržaj vode u kavezu - bitno stanje njene aktivnosti. Gubitkom većine vode mnogi organizmi umiru, a određeni broj jednoćelijskih, pa čak i višećelijskih organizama privremeno gube sve znakove života. Ovo stanje se naziva suspendovana animacija. Nakon hidratacije, stanice se bude i ponovo aktiviraju.

Molekul vode je električno neutralan. Ali električni naboj neravnomjerno je raspoređen unutar molekule: u području atoma vodika (tačnije, protona) prevladava pozitivan naboj, u području gdje se nalazi kisik gustoća je veća negativni naboj... Dakle, čestica vode je dipol. Svojstvo dipola molekule vode objašnjava njenu sposobnost da se orijentiše u električnom polju, da se veže za različite molekule i delove molekula koji nose naboj. Kao rezultat, nastaju hidrati. Sposobnost vode da formira hidrate je zbog njenih univerzalnih svojstava rastvaranja. Ako je energija privlačenja molekula vode za molekule bilo koje tvari veća od energije privlačenja između molekula vode, tada se tvar otapa. U zavisnosti od toga, postoje hidrofilne (grč. hydros - voda i phileo - volim) supstance koje su lako rastvorljive u vodi (na primer, soli, lužine, kiseline itd.), i hidrofobne (grčki hydros - voda i phobos - strah ) materije, teško ili nimalo rastvorljive u vodi (masti, masti slične materije, guma, itd.). dio ćelijske membrane uključuje tvari slične mastima koje ograničavaju prijelaz iz vanjskog okruženja u ćelije i obrnuto, kao i iz jednog dijela ćelije u drugi.

Većina reakcija koje se odvijaju u ćeliji mogu se odvijati samo u vodenom rastvoru. Voda je direktan učesnik u mnogim reakcijama. Na primjer, razgradnja proteina, ugljikohidrata i drugih tvari nastaje kao rezultat njihove interakcije s vodom koju kataliziraju enzimi. Takve reakcije se nazivaju reakcije hidrolize (grčki hydros - voda i lysis - cijepanje).

Voda ima visok toplotni kapacitet i, istovremeno, relativno visoku toplotnu provodljivost za tečnosti. Ova svojstva čine vodu idealnom tekućinom za održavanje toplinske ravnoteže između ćelije i tijela.

Voda je glavni medij za biohemijske reakcije ćelije. To je izvor kisika koji se oslobađa tokom fotosinteze i vodika, koji se koristi za obnavljanje proizvoda asimilacije ugljičnog dioksida. I konačno, voda je glavno sredstvo kretanja tvari u tijelu (tok krvi i limfe, uzlazne i silazne struje otopina kroz žile biljaka) i u ćeliji.

5. Koja je uloga vode u ćeliji

Osiguravanje elastičnosti ćelija. Posljedice gubitka vode od strane ćelije su venuće lišća, sušenje plodova;

Ubrzanje kemijskih reakcija zbog rastvaranja tvari u vodi;

Osiguranje kretanja tvari: ulazak većine supstanci u ćeliju i njihovo uklanjanje iz ćelije u obliku otopina;

Osiguravanje raspada mnogih hemijske supstance(broj soli, šećera);

Učešće u brojnim hemijskim reakcijama;

Učešće u procesu regulacije toplote zbog mogućnosti sporog zagrevanja i sporog hlađenja.

6. Koja su strukturna i fizičko-hemijska svojstva vode to određuju biološka uloga u kavezu?

Odgovori. Strukturna fizičko-hemijska svojstva vode određuju njene biološke funkcije.

Voda je dobar rastvarač. Zbog polariteta molekula i sposobnosti stvaranja vodoničnih veza, voda lako otapa jonska jedinjenja (soli, kiseline, baze).

Voda ima visok toplotni kapacitet, odnosno sposobnost da apsorbuje toplotnu energiju uz minimalno povećanje sopstvene temperature. Visok toplotni kapacitet vode štiti tjelesna tkiva od brzog i snažnog porasta temperature. Mnogi organizmi se hlade isparavanjem vode (transpiracija kod biljaka, znoj kod životinja).

Voda takođe ima visoku toplotnu provodljivost, obezbeđujući ravnomernu distribuciju toplote po celom telu. Posljedično, visoka specifična toplina i visoka toplinska provodljivost čine vodu idealnom tekućinom za održavanje toplinske ravnoteže između ćelije i tijela.

Voda se praktički ne komprimira, stvarajući turgorski pritisak, određujući volumen i elastičnost ćelija i tkiva. Dakle, hidrostatski skelet održava svoj oblik kod okruglih crva, meduza i drugih organizama.

Vodu karakterizira vrijednost sile površinskog napona koja je optimalna za biološke sisteme, a koja nastaje stvaranjem vodoničnih veza između molekula vode i molekula drugih tvari. Zbog sile površinske napetosti dolazi do kapilarnog protoka krvi, uzlaznih i silaznih strujanja otopina u biljkama.

U određenim biohemijskim procesima voda djeluje kao supstrat.

Sadržaj vode u različitim biljnim organima varira u prilično širokim granicama. Mijenja se u zavisnosti od uslova okoline, starosti i biljnih vrsta. Dakle, sadržaj vode u listovima zelene salate je 93-95%, kukuruzu - 75-77%. Količina vode nije ista u različitim biljnim organima: u listovima suncokreta vode sadrži 80-83%, u stabljikama - 87-89%, u korijenu - 73-75%. Sadržaj vode od 6-11% tipičan je uglavnom za zračno suvo sjeme, u kojem su vitalni procesi inhibirani.

Voda se nalazi u živim ćelijama, u mrtvim elementima ksilema i u međućelijskim prostorima. U međućelijskim prostorima voda je u parnom stanju. Glavni organi za isparavanje biljke su listovi. S tim u vezi, prirodno je da najveća količina vode ispunjava međućelijske prostore listova. U tečnom stanju voda se nalazi u različitim dijelovima ćelije: ćelijskoj membrani, vakuolama, citoplazmi. Vakuole su najbogatiji dio ćelije vodom, gdje njen sadržaj dostiže 98%. Sa najvećim sadržajem vode, sadržaj vode u citoplazmi je 95%. Najmanji sadržaj vode karakterističan je za ćelijske membrane. Teško je kvantificirati sadržaj vode u ćelijskim membranama; očigledno se kreće od 30 do 50%.

Različiti su i oblici vode u različitim dijelovima biljne ćelije. U vakuolarnom ćelijskom soku dominira voda koju drže spojevi relativno niske molekularne težine (osmotski vezani) i slobodna voda. U ljusci biljne ćelije voda je uglavnom vezana visokopolimernim spojevima (celuloza, hemiceluloza, pektinske supstance), odnosno koloidno vezana voda. U samoj citoplazmi postoji slobodna voda, koloidno i osmotski vezana. Voda koja se nalazi na udaljenosti do 1 nm od površine proteinske molekule je čvrsto vezana i nema pravilnu heksagonalnu strukturu (koloidno vezana voda). Osim toga, u citoplazmi postoji određena količina jona, pa je dio vode osmotski vezan.

Fiziološki značaj slobodne i vezane vode je različit. Prema većini istraživača, intenzitet fizioloških procesa, uključujući i stope rasta, prvenstveno ovisi o sadržaju slobodne vode. Postoji direktna korelacija između sadržaja vezane vode i otpornosti biljaka na nepovoljne vanjske uvjete. Ove fiziološke korelacije se ne primjećuju uvijek.

Za normalno postojanje, ćelije i biljni organizam u cjelini moraju sadržavati određenu količinu vode. Međutim, to se lako postiže samo za biljke koje rastu u vodi. Za kopnene biljke ovaj zadatak je komplikovan činjenicom da se voda u biljnom organizmu kontinuirano gubi tokom procesa isparavanja. Isparavanje vode od strane biljke dostiže ogromne razmjere. Može se navesti primjer: jedna biljka kukuruza ispari do 180 kg vode tokom vegetacije, a 1 hektar šume u južna amerika ispari u prosjeku 75 hiljada kg vode dnevno. Ogromna potrošnja vode je zbog činjenice da većina biljaka ima značajnu lisnu površinu u atmosferi koja nema zasićena parama vode. Istovremeno, razvoj ekstenzivne lisne površine je neophodan i razvijen tokom duge evolucije kako bi se osigurala normalna opskrba ugljičnim dioksidom sadržanim u zraku u neznatnoj koncentraciji (0,03%). U svojoj poznatoj knjizi "Borba biljaka sa sušom" K.A. Timiryazev je istakao da je kontradikcija između potrebe za hvatanjem ugljen-dioksid i smanjenje potrošnje vode ostavilo je otisak na strukturu cjelokupnog biljnog organizma.

Da bi se nadoknadio gubitak vode tokom isparavanja, velika količina vode mora kontinuirano ulaziti u postrojenje. Dva kontinuirana procesa u postrojenju - unos i isparavanje vode - nazivaju se vodni bilans biljaka. Za normalan rast i razvoj biljaka potrebno je da protok vode približno odgovara dolasku, odnosno da biljka bez većeg deficita smanjuje ravnotežu vode. Zbog toga su se u biljci, u procesu prirodne selekcije, razvile adaptacije na apsorpciju vode (kolosalno razvijene korijenski sistem), na kretanje vode (posebni provodni sistem), na smanjenje isparavanja (sistem integumentarnih tkiva i sistem automatskog zatvaranja stomatalnih otvora).

I pored svih ovih adaptacija, u biljci se često uočava manjak vode, odnosno protok vode nije uravnotežen njenom potrošnjom u procesu transpiracije.

Fiziološki poremećaji se javljaju u različitim biljkama sa različitim stepenom nedostatka vode. Postoje biljke koje su u procesu evolucije razvile razne adaptacije na prijenos dehidracije (biljke otporne na sušu). Razjašnjenje fizioloških karakteristika koje određuju otpornost biljaka na nedostatak vode najvažniji je problem čije je rješavanje od velikog ne samo teorijskog, već i poljoprivredno-praktičnog značaja. Istovremeno, da bi se to riješilo, potrebno je poznavati sve aspekte izmjene vode u biljnom organizmu.