Voda je najbežnejšou zlúčeninou na Zemi a v živých organizmoch. Obsah vody v bunkách závisí od povahy metabolických procesov: čím sú intenzívnejšie, tým vyšší je obsah vody.

Bunky dospelého človeka obsahujú v priemere 60-70% vody. Pri strate 20 % vody organizmy odumierajú. Bez vody nemôže človek žiť viac ako 7 dní, zatiaľ čo bez jedla nie viac ako 40 dní.

Ryža. 4.1. Priestorová štruktúra molekuly vody (H 2 O) a tvorba vodíkovej väzby

Molekula vody (H 2 O) pozostáva z dvoch atómov vodíka, ktoré sú kovalentne viazané na atómy kyslíka. Molekula je polárna, pretože je ohnutá pod uhlom a jadro atómu kyslíka sťahuje zdieľané elektróny do tohto uhla, takže kyslík získava čiastočný záporný náboj a atómy vodíka na otvorených koncoch sa stávajú čiastočne kladnými nábojmi. Molekuly vody sa môžu navzájom priťahovať vytváraním kladných a záporných nábojov vodíková väzba (Obr.4.1.).

Vďaka jedinečnej štruktúre molekúl vody a ich schopnosti viazať sa na seba pomocou vodíkové väzby voda má množstvo vlastností, ktoré ju definujú dôležitá úloha v bunkách a organizmoch.

Vodíkové väzby spôsobujú relatívne vysoké teploty varu a vyparovania, vysokú tepelnú kapacitu a tepelnú vodivosť vody a vlastnosť univerzálneho rozpúšťadla.

Vodíkové väzby sú 15-20 krát slabšie ako kovalentné väzby. AT tekutom stave vodíkové väzby buď vznikajú alebo sa lámu, čo spôsobuje pohyb molekúl vody, jej tekutosť.

Biologická úloha H20

Voda definuje fyzikálne vlastnosti bunky - jej objem, elasticita (turgor). Bunka obsahuje 95-96% voľnej vody a 4-5% viazanej. Viazaná voda vytvára vodné (solvátové) obaly okolo určitých zlúčenín (napríklad proteínov), čím bráni ich vzájomnej interakcii.

voľná voda je dobrým rozpúšťadlom pre mnohé anorganické a organické polárne látky. Látky, ktoré sú vysoko rozpustné vo vode, sú tzv hydrofilné. Napríklad alkoholy, kyseliny, plyny, väčšina solí sodíka, draslíka atď. V prípade hydrofilných látok je väzbová energia medzi ich atómami menšia ako energia priťahovania týchto atómov k molekulám vody. Preto sú ich molekuly alebo ióny ľahko integrované spoločný systém vodíkové väzby vody.

Voda ako univerzálne rozpúšťadlo hrá mimoriadne dôležitú úlohu, keďže väčšina chemické reakcie vyskytuje sa vo vodných roztokoch. Prienik látok do bunky a odstraňovanie odpadových látok z nej je vo väčšine prípadov možné len v rozpustenej forme.

Voda nerozpúšťa nepolárne (nenabité) látky, pretože s nimi nemôže vytvárať vodíkové väzby. Látky, ktoré sú nerozpustné vo vode, sú tzv hydrofóbne . Patria sem tuky, tukom podobné látky, polysacharidy, kaučuk.

Niektoré organické molekuly majú dvojaké vlastnosti: v niektorých oblastiach sú to polárne skupiny a v iných nepolárne. Takéto látky sú tzv amfipatické alebo amfifilné. Patria sem bielkoviny, mastné kyseliny, fosfolipidy, nukleových kyselín. Amfifilné zlúčeniny hrajú dôležitú úlohu v organizácii biologických membrán, komplexných supramolekulárnych štruktúr.

Voda sa priamo zúčastňuje reakcií hydrolýza- rozklad organických zlúčenín. Zároveň sa pôsobením špeciálnych enzýmov uvoľňujú valencie organické molekuly OH ióny sa spájajú - a H + voda. Vďaka tomu tvoria nové látky s novými vlastnosťami.

Voda má vysokú tepelnú kapacitu (t.j. schopnosť absorbovať teplo pri malých zmenách vlastnej teploty) a dobrú tepelnú vodivosť. Vďaka týmto vlastnostiam sa teplota vo vnútri bunky (a tela) udržiava na určitej úrovni s výraznými zmenami teploty okolia.

Dôležité biologický význam pre fungovanie rastlín, studenokrvných živočíchov má tá skutočnosť, že vplyvom rozpustených látok (sacharidy, glycerol) voda môže meniť svoje vlastnosti, najmä body tuhnutia a varu.

Vlastnosti vody sú pre živé organizmy také dôležité, že je nemožné si predstaviť existenciu života, ako ho poznáme, nielen na Zemi, ale na žiadnej inej planéte bez dostatočného prísunu vody.

MINERÁLNA SOĽ

Môžu byť v rozpustenom alebo nerozpustenom stave. Molekuly minerálnych solí sa vo vodnom roztoku rozkladajú na katióny a anióny.

Obsah vody v rôznych rastlinných orgánoch kolíše v pomerne širokých medziach. Líši sa v závislosti od podmienok prostredia, veku a druhu rastlín. Obsah vody v listoch šalátu je teda 93-95%, kukurica - 75-77%. Množstvo vody nie je rovnaké v rôznych orgánoch rastlín: listy slnečnice obsahujú 80-83% vody, stonky - 87-89%, korene - 73-75%. Obsah vody 6-11% je typický hlavne pre semená sušené na vzduchu, v ktorých sú inhibované životne dôležité procesy.

Voda je obsiahnutá v živých bunkách, v odumretých prvkoch xylému a v medzibunkových priestoroch. V medzibunkových priestoroch je voda v parnom stave. Listy sú hlavným odparovacím orgánom rastliny. V tomto smere je prirodzené, že najväčšie množstvo vody vypĺňa medzibunkové priestory listov. V tekutom stave je voda rôzne časti bunky: bunková membrána, vakuola, protoplazma. Vakuoly sú na vodu najbohatšou časťou bunky, kde jej obsah dosahuje 98%. Pri najvyššom obsahu vody je obsah vody v protoplazme 95 %. Najmenší obsah voda je charakteristická pre bunkové membrány. Kvantitatívne stanovenie obsahu vody v bunkových membránach je náročné; zjavne sa pohybuje od 30 do 50 %.

Voda tvaruje v rôzne časti rastlinné bunky sú tiež odlišné. V miazge vakuolárnych buniek dominuje voda zadržiavaná zlúčeninami s relatívne nízkou molekulovou hmotnosťou (osmoticky viazaná) a voľná voda. V obale rastlinnej bunky je voda viazaná najmä vysokopolymérnymi zlúčeninami (celulóza, hemicelulóza, pektínové látky), teda koloidne viazanou vodou. V samotnej cytoplazme je voľná voda, koloidne a osmoticky viazaná. Voda nachádzajúca sa vo vzdialenosti do 1 nm od povrchu molekuly proteínu je pevne viazaná a nemá pravidelnú hexagonálnu štruktúru (koloidne viazaná voda). Okrem toho je v protoplazme určité množstvo iónov, a preto je časť vody osmoticky viazaná.

Fyziologický význam voľnej a viazanej vody je rozdielny. Väčšina výskumníkov sa domnieva, že intenzita fyziologických procesov, vrátane rýchlosti rastu, závisí predovšetkým od obsahu voľnej vody. Medzi obsahom viazanej vody a odolnosťou rastlín voči nepriaznivým vonkajším podmienkam existuje priama úmera. Tieto fyziologické korelácie nie sú vždy pozorované.

Rastlinná bunka absorbuje vodu podľa zákonov osmózy. Osmóza sa pozoruje v prítomnosti dvoch systémov s rôznymi koncentráciami látok, keď komunikujú so semipermeabilnou membránou. V tomto prípade sa podľa zákonov termodynamiky koncentrácie vyrovnávajú vďaka látke, pre ktorú je membrána priepustná.

Pri uvažovaní dvoch systémov s rôznymi koncentráciami osmoticky aktívnych látok vyplýva, že vyrovnanie koncentrácií v systémoch 1 a 2 je možné len vďaka pohybu vody. V systéme 1 je koncentrácia vody vyššia, takže tok vody smeruje zo systému 1 do systému 2. Keď sa dosiahne rovnováha, skutočný prietok bude nulový.

Rastlinnú bunku možno považovať za osmotický systém. Bunková stena obklopujúca bunku má určitú elasticitu a môže sa natiahnuť. Vo vakuole sa hromadia vo vode rozpustné látky (cukry, organické kyseliny, soli), ktoré majú osmotickú aktivitu. Tonoplast a plazmalema plnia v tomto systéme funkciu semipermeabilnej membrány, keďže tieto štruktúry sú selektívne priepustné a voda nimi prechádza oveľa ľahšie ako látky rozpustené v bunkovej šťave a cytoplazme. V tomto ohľade, ak bunka vstúpi do prostredia, kde koncentrácia osmoticky aktívnych látok bude nižšia ako koncentrácia vo vnútri bunky (alebo je bunka umiestnená vo vode), voda musí podľa zákonov osmózy vstúpiť do bunky .

Schopnosť molekúl vody pohybovať sa z jedného miesta na druhé sa meria pomocou vodného potenciálu (Ψw). Podľa zákonov termodynamiky sa voda vždy pohybuje z oblasti s vyšším vodným potenciálom do oblasti s nižším potenciálom.

Vodný potenciál(Ψ в) je indikátor termodynamického stavu vody. Molekuly vody majú kinetickú energiu, pohybujú sa náhodne v kvapaline a vodnej pare. Vodný potenciál je väčší v systéme, kde je koncentrácia molekúl vyššia a ich súčet väčší Kinetická energia. Čistá (destilovaná) voda má maximálny vodný potenciál. Vodný potenciál takéhoto systému sa podmienečne považuje za nulový.

Jednotky vodného potenciálu sú jednotky tlaku: atmosféry, pascaly, bary:

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

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

Pri rozpustení inej látky vo vode sa koncentrácia vody znižuje, kinetická energia molekúl vody klesá a potenciál vody klesá. Vo všetkých riešeniach je vodný potenciál nižší ako pri čistej vode, t.j. za štandardných podmienok je vyjadrená ako záporná hodnota. Kvantitatívne je tento pokles vyjadrený veličinou tzv osmotický potenciál(Ψ osm.). Osmotický potenciál je mierou zníženia vodného potenciálu v dôsledku prítomnosti rozpustených látok. Čím viac molekúl rozpustenej látky v roztoku, tým nižší je osmotický potenciál.

Keď voda vstúpi do bunky, jej veľkosť sa zväčší, hydrostatický tlak vo vnútri bunky sa zvýši, čo núti plazmalemu tlačiť na bunkovú stenu. Bunková stena zasa vyvíja protitlak, ktorý sa vyznačuje tlakový potenciál(Ψ tlak) alebo hydrostatický potenciál, býva kladný a čím väčší, viac vody v klietke.

Vodný potenciál bunky teda závisí od koncentrácie osmoticky aktívnych látok – osmotického potenciálu (Ψ osm.) A tlakového potenciálu (Ψ tlaku).

Za predpokladu, že voda netlačí na bunkovú membránu (stav plazmolýzy alebo vädnutia), protitlak bunkovej membrány je nulový, vodný potenciál sa rovná osmotickému:

Ψ v. = Ψ osm.

Keď voda vstúpi do bunky, objaví sa protitlak bunkovej membrány, vodný potenciál bude sa rovná rozdielu medzi osmotickým potenciálom a tlakovým potenciálom:

Ψ v. = Ψ osm. + Ψ tlak

Rozdiel medzi osmotickým potenciálom bunkovej šťavy a protitlakom bunkovej membrány určuje prietok vody v každom danom okamihu.

Za predpokladu, že je bunková membrána napnutá na doraz, osmotický potenciál je úplne vyvážený protitlakom bunkovej membrány, vodný potenciál sa stáva nula, voda prestane prúdiť do bunky:

- Ψ osm. = Ψ tlak , Ψ c. = 0

Voda vždy prúdi v smere zápornejšieho vodného potenciálu: zo systému, kde je energia väčšia, do systému, kde je energie menšia.

Voda môže tiež vstúpiť do bunky v dôsledku napučiavacích síl. Proteíny a iné látky, ktoré tvoria bunku, majú pozitívne a negatívne nabité skupiny, priťahujú vodné dipóly. Bunková stena, ktorá obsahuje hemicelulózy a pektínové látky, a cytoplazma, v ktorej vysokomolekulárne polárne zlúčeniny tvoria asi 80 % sušiny, sú schopné napučiavať. Voda preniká do napučiavajúcej štruktúry difúziou, pohyb vody sleduje koncentračný gradient. Sila opuchu sa označuje pojmom matricový potenciál(Ψ mat.). Závisí od prítomnosti vysokomolekulárnych zložiek bunky. Potenciál matrice je vždy záporný. Veľký významΨ mat. má, keď je voda absorbovaná štruktúrami, v ktorých nie sú vakuoly (semená, meristémové bunky).

Najbežnejšia je voda chemická zlúčenina na Zemi je jeho hmotnosť najväčšia v živom organizme. Odhaduje sa, že voda tvorí 85 % celkovej hmotnosti priemernej štatistickej bunky. Zatiaľ čo v ľudských bunkách je voda v priemere asi 64%. Obsah vody v rôznych bunkách sa však môže výrazne líšiť: od 10 % v bunkách zubnej skloviny po 90 % v bunkách embrya cicavcov. Navyše mladé bunky obsahujú viac vody ako staré. Takže v bunkách dieťaťa je voda 86%, v bunkách starého človeka iba 50%.

U mužov je obsah vody v bunkách v priemere 63%, u žien - o niečo menej ako 52%. čo to spôsobilo? Ukazuje sa, že všetko je jednoduché. V ženskom tele je veľa tukového tkaniva, v bunkách ktorého je málo vody. Preto je obsah vody v ženskom tele približne o 6-10% nižší ako v mužskom.

Jedinečné vlastnosti vody sú spôsobené štruktúrou jej molekuly. Z kurzu chémie viete, že rozdielna elektronegativita atómov vodíka a kyslíka je príčinou výskytu kovalentnej polárnej väzby v molekule vody. Molekula vody má tvar trojuholníka (87), v ktorom sú asymetricky umiestnené elektrické náboje a ide o dipól (zapamätajte si definíciu tohto pojmu).

V dôsledku elektrostatickej príťažlivosti atómu vodíka jednej molekuly vody k atómu kyslíka inej molekuly vznikajú medzi molekulami vody vodíkové väzby.

Vlastnosti štruktúry a fyziky — Chemické vlastnosti voda (schopnosť vody byť univerzálnym rozpúšťadlom, premenlivá hustota, vysoká tepelná kapacita, vysoké povrchové napätie, tekutosť, vzlínavosť a pod.), ktoré určujú jej biologický význam.

Aké funkcie plní voda v organizme Voda je rozpúšťadlo. Polárna štruktúra molekuly vody vysvetľuje jej vlastnosti ako rozpúšťadla. Molekuly vody interagujú s chemikáliami, ktorých prvky majú elektrostatické väzby, a rozkladajú ich na anióny a katióny, čo vedie k chemickým reakciám. Ako viete, mnohé chemické reakcie prebiehajú iba vo vodnom roztoku. Voda samotná zároveň zostáva inertná, takže ju možno v tele použiť opakovane. Voda slúži ako transportné médium rôzne látky vnútri tela. Okrem toho sa konečné produkty metabolizmu vylučujú z tela prevažne v rozpustenej forme.

V živých bytostiach existujú dva hlavné typy riešení. (Pamätajte na klasifikáciu riešení.)

Tzv pravdivé riešenie keď majú molekuly rozpúšťadla rovnakú veľkosť ako molekuly rozpustenej látky, rozpustia sa. V dôsledku toho dochádza k disociácii a tvoria sa ióny. V tomto prípade je riešenie homogénne a povedané vedecký jazyk, pozostáva z jednej kvapalnej fázy. Typickými príkladmi sú roztoky minerálnych solí, kyselín alebo zásad. Keďže v takýchto roztokoch sú nabité častice, sú schopné viesť elektriny a sú to elektrolyty, ako všetky roztoky nachádzajúce sa v tele, vrátane krvi stavovcov, ktorá obsahuje veľa minerálnych solí.

Koloidný roztok je prípad, keď sú molekuly rozpúšťadla oveľa menšie ako molekuly rozpustenej látky. V takýchto roztokoch sa častice látky, ktoré sa nazývajú koloidné, voľne pohybujú vo vodnom stĺpci, pretože sila ich príťažlivosti nepresahuje silu ich väzieb s molekulami rozpúšťadla. Takéto riešenie sa považuje za heterogénne, to znamená, že pozostáva z dvoch fáz - kvapalnej a pevnej. Všetky biologické tekutiny sú zmesi, ktoré zahŕňajú pravé a koloidné roztoky, pretože obsahujú minerálne soli a obrovské molekuly (napríklad proteíny), ktoré majú vlastnosti koloidných častíc. Preto cytoplazma akejkoľvek bunky, krv alebo lymfa zvierat a mlieko cicavcov súčasne obsahujú ióny a koloidné častice.

Ako si pravdepodobne pamätáte, biologické systémy dodržiavajú všetky zákony fyziky a chémie, preto sa v biologických riešeniach pozorujú fyzikálne javy, ktoré zohrávajú významnú úlohu v živote organizmov.

Vlastnosti vody

Difúzia (z lat. Difusio - šírenie, šírenie, disperzia) sa v biologických roztokoch prejavuje ako tendencia vyrovnávať koncentráciu štruktúrnych častíc rozpustených látok (iónov a koloidných častíc), čo v konečnom dôsledku vedie k rovnomernému rozloženiu látky v roztoku. Je to vďaka difúzii, že mnoho jednobunkových tvorov je kŕmených, kyslík a živiny sú transportované cez telo zvierat v neprítomnosti obehového a dýchacieho systému v nich (pamätajte, aké sú to zvieratá). Navyše transport mnohých látok do buniek sa uskutočňuje práve vďaka difúzii.

Ďalším fyzikálnym javom je osmóza (z gréc. Osmóza – tlačenie, tlak) – pohyb rozpúšťadla cez polopriepustnú membránu. Osmóza spôsobuje pohyb vody z roztoku s nízkou koncentráciou rozpustených látok a vysokým obsahom H2O v roztoku s vysokou koncentráciou rozpustených látok a nízkym obsahom vody. V biologických systémoch nejde o nič iné ako o transport vody na bunkovej úrovni. Preto hrá osmóza významnú úlohu v mnohých biologických procesoch. Sila osmózy zabezpečuje pohyb vody v rastlinných a živočíšnych organizmoch, aby ich bunky dostávali živiny a udržiavali si stály tvar. Treba poznamenať, že čím väčší je rozdiel v koncentrácii látky, tým väčší je osmotický tlak. Ak sa teda bunky umiestnia do hypotonického roztoku, vplyvom prudkého prílevu vody napučia a prasknú.

1. Aká je štruktúra vody?

Odpoveď. Molekula vody má uhlovú štruktúru: jej základné jadrá tvoria rovnoramenný trojuholník, na ktorého základni sú dva vodíky a na vrchu je atóm kyslíka. Medzijadrový O-N vzdialenosti blízko 0,1 nm, vzdialenosť medzi jadrami atómov vodíka je 0,15 nm. Zo šiestich elektrónov, ktoré tvoria vonkajšiu elektrónovú vrstvu atómu kyslíka v molekule vody, tvoria dva elektrónové páry kovalentné O-N pripojenia a zvyšné štyri elektróny sú dva nezdieľané elektrónové páry.

Molekula vody je malý dipól obsahujúci kladné a záporné náboje na póloch. V blízkosti jadier vodíka je nedostatok elektrónovej hustoty atď opačná strana molekúl, v blízkosti jadra kyslíka je prebytok elektrónovej hustoty. Práve táto štruktúra určuje polaritu molekuly vody.

2. Aké množstvo vody (v %) obsahujú rôzne bunky?

Množstvo vody sa v rôznych tkanivách a orgánoch líši. Takže u človeka v šedej hmote mozgu je jeho obsah 85% a v kostnom tkanive - 22%. Najvyšší obsah vody v tele sa pozoruje v embryonálnom období (95 %) a s vekom postupne klesá.

Obsah vody v rôznych rastlinných orgánoch kolíše v pomerne širokých medziach. Líši sa v závislosti od podmienok prostredia, veku a druhu rastlín. Obsah vody v listoch šalátu je teda 93-95%, kukurica - 75-77%. Množstvo vody nie je rovnaké v rôznych orgánoch rastlín: listy slnečnice obsahujú 80-83% vody, stonky - 87-89%, korene - 73-75%. Obsah vody 6-11% je typický hlavne pre semená sušené na vzduchu, v ktorých sú inhibované životne dôležité procesy. Voda je obsiahnutá v živých bunkách, v odumretých prvkoch xylému a v medzibunkových priestoroch. V medzibunkových priestoroch je voda v parnom stave. Listy sú hlavným odparovacím orgánom rastliny. V tomto smere je prirodzené, že najväčšie množstvo vody vypĺňa medzibunkové priestory listov. V kvapalnom stave sa voda nachádza v rôznych častiach bunky: bunková membrána, vakuola, cytoplazma. Vakuoly sú na vodu najbohatšou časťou bunky, kde jej obsah dosahuje 98%. Pri najvyššom obsahu vody je obsah vody v cytoplazme 95 %. Najnižší obsah vody je charakteristický pre bunkové membrány. Kvantitatívne stanovenie obsahu vody v bunkových membránach je náročné; zjavne sa pohybuje od 30 do 50 %. Formy vody v rôznych častiach rastlinnej bunky sú tiež odlišné.

3. Aká je úloha vody v živých organizmoch?

Odpoveď. Voda je prevládajúcou zložkou všetkých živých organizmov. Má jedinečné vlastnosti vďaka štruktúrnym vlastnostiam: molekuly vody majú formu dipólu a medzi nimi vznikajú vodíkové väzby. Priemerný obsah vody v bunkách väčšiny živých organizmov je asi 70%. Voda v bunke je prítomná v dvoch formách: voľná (95% všetkej vody v bunke) a viazaná (4-5% spojená s proteínmi).

Funkcie vody:

1. Voda ako rozpúšťadlo. Mnohé chemické reakcie v bunke sú iónové, prebiehajú teda len vo vodnom prostredí. Látky, ktoré sa rozpúšťajú vo vode, sa nazývajú hydrofilné (alkoholy, cukry, aldehydy, aminokyseliny), nerozpustné – hydrofóbne (mastné kyseliny, celulóza).

2. Voda ako činidlo. Voda sa podieľa na mnohých chemických reakciách: polymerizačných reakciách, hydrolýze, v procese fotosyntézy.

3. Transportná funkcia. Pohyb po tele spolu s vodou v ňom rozpustených látok do jeho jednotlivých častí a odstraňovanie nepotrebných produktov z tela.

4. Voda ako tepelný stabilizátor a termostat. Táto funkcia je spôsobená takými vlastnosťami vody, ako je vysoká tepelná kapacita - zmierňuje vplyv výrazných teplotných zmien na telo životné prostredie; vysoká tepelná vodivosť - umožňuje telu udržiavať rovnakú teplotu v celom svojom objeme; vysoké výparné teplo - používa sa na ochladzovanie tela počas potenia u cicavcov a transpirácie u rastlín.

5. Štrukturálna funkcia. Cytoplazma buniek obsahuje od 60 do 95% vody a je to ona, ktorá dáva bunkám ich normálny tvar. U rastlín voda udržuje turgor (pružnosť endoplazmatickej membrány), u niektorých živočíchov slúži ako hydrostatická kostra (medúza)

Otázky po § 7

1. Aká je zvláštnosť štruktúry molekuly vody?

Odpoveď. Jedinečné vlastnosti vody určuje štruktúra jej molekuly. Molekula vody pozostáva z atómu O naviazaného na dva atómy H polárnou cestou Kovalentné väzby. Charakteristické usporiadanie elektrónov v molekule vody jej dáva elektrickú asymetriu. Elektronegatívny atóm kyslíka silnejšie priťahuje elektróny atómov vodíka, v dôsledku čoho sú spoločné elektrónové páry v molekule vody posunuté smerom k nemu. Preto, hoci molekula vody nie je nabitá ako celok, každý z dvoch atómov vodíka má čiastočne kladný náboj (označuje sa 8+), zatiaľ čo atóm kyslíka nesie čiastočne záporný náboj (8-). Molekula vody je polarizovaná a je dipólová (má dva póly).

Čiastočne záporný náboj atómu kyslíka jednej molekuly vody priťahujú čiastočne kladné atómy vodíka iných molekúl. Každá molekula vody má teda tendenciu vytvárať vodíkové väzby so štyrmi susednými molekulami vody.

2. Aký význam má voda ako rozpúšťadlo?

Odpoveď. Vďaka polarite molekúl a schopnosti vytvárať vodíkové väzby voda ľahko rozpúšťa iónové zlúčeniny (soli, kyseliny, zásady). Dobre rozpustný vo vode a niektoré neiónové, ale polárne zlúčeniny, t.j. v molekule ktorých sú nabité (polárne) skupiny, ako sú cukry, jednoduché alkoholy, aminokyseliny. Látky, ktoré sú vysoko rozpustné vo vode, sa nazývajú hydrofilné (z gréckeho hygros – mokro a philia – priateľstvo, náklonnosť). Keď látka prejde do roztoku, jej molekuly alebo ióny sa môžu pohybovať voľnejšie, a preto sa zvyšuje reaktivita látky. To vysvetľuje, prečo je voda hlavným médiom, v ktorom prebieha väčšina chemických reakcií a všetky hydrolytické reakcie a početné redoxné reakcie prebiehajú za priamej účasti vody.

Látky, ktoré sú vo vode zle alebo úplne nerozpustné, sa nazývajú hydrofóbne (z gréckeho phobos – strach). Patria sem tuky, nukleové kyseliny, niektoré bielkoviny a polysacharidy. Takéto látky môžu vytvárať rozhrania s vodou, na ktorých prebiehajú mnohé chemické reakcie. Preto je pre živé organizmy veľmi dôležité aj to, že voda nerozpúšťa nepolárne látky. Medzi fyziologicky dôležité vlastnosti vody patrí jej schopnosť rozpúšťať plyny (O2, CO2 atď.).

3. Aká je tepelná vodivosť a tepelná kapacita vody?

Odpoveď. Voda má vysokú tepelnú kapacitu, t.j. schopnosť absorbovať termálna energia s minimálnym nárastom teploty. Vysoká tepelná kapacita vody chráni tkanivá tela pred rýchlym a silným zvýšením teploty. Mnohé organizmy sa ochladzujú vyparovaním vody (transpirácia u rastlín, potenie u zvierat).

4. Prečo sa voda považuje za ideálnu kvapalinu pre bunku?

Odpoveď. Vysoký obsah vody v bunke - zásadná podmienka jej činnosti. So stratou väčšiny vody mnoho organizmov zahynie a množstvo jednobunkových a dokonca aj mnohobunkových organizmov dočasne stratí všetky známky života. Tento stav sa nazýva pozastavená animácia. Po hydratácii sa bunky prebudia a stanú sa opäť aktívnymi.

Molekula vody je elektricky neutrálna. ale nabíjačka vnútri molekuly je rozmiestnený nerovnomerne: v oblasti atómov vodíka (presnejšie protónov) prevláda kladný náboj, v oblasti, kde sa nachádza kyslík, je hustota vyššia záporný náboj. Preto je častica vody dipól. Dipólová vlastnosť molekuly vody vysvetľuje jej schopnosť orientovať sa v elektrickom poli, pripájať sa k rôznym molekulám a úsekom molekúl, ktoré nesú náboj. V dôsledku toho sa tvoria hydráty. Schopnosť vody vytvárať hydráty je spôsobená jej univerzálnymi rozpúšťacími vlastnosťami. Ak je energia príťažlivosti molekúl vody k molekulám látky väčšia ako energia príťažlivosti medzi molekulami vody, látka sa rozpustí. V závislosti od toho sa rozlišujú hydrofilné (grécky hydros - voda a phileo - láska) látky vysoko rozpustné vo vode (napríklad soli, zásady, kyseliny atď.) a hydrofóbne (grécky hydros - voda a phobos - strach) látky. ťažko alebo vôbec nerozpustné vo vode (tuky, tukom podobné látky, kaučuk atď.). Časť bunkové membrány zahŕňa tukom podobné látky, ktoré obmedzujú prechod z vonkajšieho prostredia do buniek a naopak, ako aj z jednej časti bunky do druhej.

Väčšina reakcií, ktoré prebiehajú v bunke, môže prebiehať len vo vodnom roztoku. Voda je priamym účastníkom mnohých reakcií. Napríklad rozklad bielkovín, uhľohydrátov a iných látok nastáva v dôsledku ich interakcie s vodou katalyzovanej enzýmami. Takéto reakcie sa nazývajú hydrolytické reakcie (grécky hydros - voda a lýza - štiepenie).

Voda má vysokú tepelnú kapacitu a zároveň relatívne vysokú tepelnú vodivosť pre kvapaliny. Tieto vlastnosti robia z vody ideálnu kvapalinu na udržanie tepelnej rovnováhy bunky a organizmu.

Voda je hlavným prostredím pre priebeh biochemických reakcií bunky. Je zdrojom kyslíka uvoľňovaného pri fotosyntéze a vodíka, ktorý sa používa na obnovu produktov asimilácie oxidu uhličitého. A napokon voda je hlavným prostriedkom transportu látok v tele (prúdenie krvi a lymfy, vzostupné a zostupné prúdy roztokov cez cievy rastlín) a v bunke.

5. Aká je úloha vody v bunke

Zabezpečenie elasticity buniek. Dôsledky straty vody bunkou sú vädnutie listov, vysychanie plodov;

Urýchlenie chemických reakcií v dôsledku rozpúšťania látok vo vode;

Zabezpečenie pohybu látok: vstup väčšiny látok do bunky a ich odvod z bunky vo forme roztokov;

Zabezpečenie rozpustenia mnohých chemických látok(množstvo solí, cukrov);

Účasť na množstve chemických reakcií;

Účasť na procese termoregulácie vďaka schopnosti spomaliť zahrievanie a pomalé ochladzovanie.

6. Aké štrukturálne a fyzikálno-chemické vlastnosti vody ju určujú biologická úloha v klietke?

Odpoveď. Štrukturálne fyzikálne a chemické vlastnosti vody určujú jej biologické funkcie.

Voda je dobré rozpúšťadlo. Vďaka polarite molekúl a schopnosti vytvárať vodíkové väzby voda ľahko rozpúšťa iónové zlúčeniny (soli, kyseliny, zásady).

Voda má vysokú tepelnú kapacitu, t.j. schopnosť absorbovať tepelnú energiu s minimálnym zvýšením vlastnej teploty. Vysoká tepelná kapacita vody chráni tkanivá tela pred rýchlym a silným zvýšením teploty. Mnohé organizmy sa ochladzujú vyparovaním vody (transpirácia u rastlín, potenie u zvierat).

Voda má tiež vysokú tepelnú vodivosť, zaisťuje rovnomerné rozloženie tepla po celom tele. V dôsledku toho vysoká merná tepelná kapacita a vysoká tepelná vodivosť robia z vody ideálnu kvapalinu na udržanie tepelnej rovnováhy bunky a organizmu.

Voda sa prakticky nestláča, vytvára turgorový tlak, určujúci objem a elasticitu buniek a tkanív. Je to teda hydrostatická kostra, ktorá udržuje tvar okrúhlych červov, medúz a iných organizmov.

Voda sa vyznačuje optimálnou hodnotou sily povrchového napätia pre biologické systémy, ktorá vzniká v dôsledku tvorby vodíkových väzieb medzi molekulami vody a molekulami iných látok. V dôsledku sily povrchového napätia dochádza ku kapilárnemu prietoku krvi, vzostupným a zostupným prúdom roztokov v rastlinách.

V určitých biochemických procesoch voda pôsobí ako substrát.

Obsah vody v rôznych rastlinných orgánoch kolíše v pomerne širokých medziach. Líši sa v závislosti od podmienok prostredia, veku a druhu rastlín. Obsah vody v listoch šalátu je teda 93-95%, kukurica - 75-77%. Množstvo vody nie je rovnaké v rôznych rastlinných orgánoch: listy slnečnice obsahujú 80-83% vody, stonky - 87-89%, korene - 73-75%. Obsah vody 6-11% je typický hlavne pre semená sušené na vzduchu, v ktorých sú inhibované životne dôležité procesy.

Voda je obsiahnutá v živých bunkách, v odumretých prvkoch xylému a v medzibunkových priestoroch. V medzibunkových priestoroch je voda v parnom stave. Listy sú hlavným odparovacím orgánom rastliny. V tomto smere je prirodzené, že najväčšie množstvo vody vypĺňa medzibunkové priestory listov. V kvapalnom stave sa voda nachádza v rôznych častiach bunky: bunková membrána, vakuola, cytoplazma. Vakuoly sú na vodu najbohatšou časťou bunky, kde jej obsah dosahuje 98%. Pri najvyššom obsahu vody je obsah vody v cytoplazme 95 %. Najnižší obsah vody je charakteristický pre bunkové membrány. Kvantitatívne stanovenie obsahu vody v bunkových membránach je náročné; zjavne sa pohybuje od 30 do 50 %.

Formy vody v rôznych častiach rastlinnej bunky sú tiež odlišné. V miazge vakuolárnych buniek dominuje voda zadržiavaná zlúčeninami s relatívne nízkou molekulovou hmotnosťou (osmoticky viazaná) a voľná voda. V obale rastlinnej bunky je voda viazaná najmä vysokopolymérnymi zlúčeninami (celulóza, hemicelulóza, pektínové látky), teda koloidne viazanou vodou. V samotnej cytoplazme je voľná voda, koloidne a osmoticky viazaná. Voda nachádzajúca sa vo vzdialenosti do 1 nm od povrchu molekuly proteínu je pevne viazaná a nemá pravidelnú hexagonálnu štruktúru (koloidne viazaná voda). Okrem toho je v cytoplazme určité množstvo iónov, a preto je časť vody osmoticky viazaná.

Fyziologický význam voľnej a viazanej vody je rozdielny. Podľa väčšiny výskumníkov intenzita fyziologických procesov vrátane rýchlosti rastu závisí predovšetkým od obsahu voľnej vody. Medzi obsahom viazanej vody a odolnosťou rastlín voči nepriaznivým vonkajším podmienkam existuje priama úmera. Tieto fyziologické korelácie nie sú vždy pozorované.

Pre svoju normálnu existenciu musia bunky a rastlinný organizmus ako celok obsahovať určité množstvo vody. To je však ľahko realizovateľné iba pre rastliny rastúce vo vode. Pre suchozemské rastliny je táto úloha komplikovaná skutočnosťou, že voda v rastlinnom organizme sa neustále stráca v procese vyparovania. Odparovanie vody rastlinou dosahuje obrovské rozmery. Môžeme uviesť príklad: jedna rastlina kukurice odparí počas vegetačného obdobia až 180 kg vody a 1 hektár lesa v r. Južná Amerika vyparí v priemere 75 tisíc kg vody za deň. Obrovská spotreba vody je spôsobená tým, že väčšina rastlín má výrazný povrch listov, ktorý je v atmosfére, nie nasýtený parou voda. Zároveň je vývoj rozsiahleho povrchu listov nevyhnutný a vyvíjaný v priebehu dlhého vývoja na zabezpečenie normálnej výživy oxidom uhličitým obsiahnutým vo vzduchu v nepatrnej koncentrácii (0,03 %). Vo svojej slávnej knihe „Boj rastlín proti suchu“ K.A. Timiryazev poukázal na rozpor medzi potrebou zachytiť oxid uhličitý a zníženie spotreby vody zanechalo odtlačok na štruktúre celého rastlinného organizmu.

Aby sa vyrovnali straty vody pri vyparovaní, musí sa jej veľké množstvo neustále dostávať do závodu. Nazývajú sa dva procesy nepretržite prebiehajúce v závode - prítok a odparovanie vody vodná bilancia rastlín. Pre normálny rast a vývoj rastlín je potrebné, aby spotreba vody približne zodpovedala príjmu, alebo inak povedané, aby rastlina bez veľkého deficitu znižovala svoju vodnú bilanciu. Na tento účel sa v procese prirodzeného výberu v rastline vyvinuli adaptácie na absorpciu vody (kolosálne vyvinuté koreňový systém), k pohybu vody (špeciálny vodivý systém), k zníženiu vyparovania (systém krycích tkanív a systém automatického uzatvárania prieduchových otvorov).

Napriek všetkým týmto úpravám je v rastline často pozorovaný deficit vody, t.j. príjem vody nie je vyvážený jej spotrebou v procese transpirácie.

Fyziologické poruchy sa vyskytujú v rôznych rastlinách s rôznym stupňom nedostatku vody. Existujú rastliny, ktoré si v procese evolúcie vyvinuli rôzne prispôsobenia na tolerovanie dehydratácie (rastliny odolné voči suchu). Objasnenie fyziologických vlastností, ktoré podmieňujú odolnosť rastlín voči nedostatku vody, je najdôležitejšou úlohou, ktorej riešenie má veľký nielen teoretický, ale aj poľnohospodársky praktický význam. Na jeho vyriešenie je zároveň nevyhnutná znalosť všetkých aspektov výmeny vody rastlinného organizmu.