Вода – найпоширеніша сполука Землі й у живих організмах. Зміст води в клітинах залежить від характеру обмінних процесів: чим вони інтенсивніші, тим вищий вміст води.

У середньому у клітинах дорослої людини міститься 60-70% води. При втраті 20% води організми гинуть. Без води людина може прожити трохи більше 7 днів, тоді як без їжі трохи більше 40 днів.

Мал. 4.1. Просторова структура молекули води (Н 2 О) та утворення водневого зв'язку

Молекула води (Н 2 Про) і двох атомів водню, які ковалентно пов'язані з атомам кисню. Молекула полярна, тому що вона вигнута під кутом і ядро ​​атома кисню відтягує узагальнені електрони до цього кута, так що кисень набуває часткового негативного заряду, а атоми водню, що знаходяться на відкритих кінцях, – частково позитивні заряди. Молекули води здатні притягуватися одна до одної позитивним та негативним зарядом, утворюючи водневий зв'язок (Рис.4.1.).

Завдяки унікальній структурі молекул води та їх здатності зв'язуватися один з одним за допомогою водневих зв'язківвода має ряд властивостей, що визначають її важливу рольу клітині та організмі.

Водневі зв'язки зумовлюють відносно високі температури кипіння та випаровування, високу теплоємність та теплопровідність води, властивість універсального розчинника.

Водневі зв'язки слабші за ковалентні в 15-20 разів. У рідкому станіводневі зв'язки то утворюються, то розриваються, що зумовлює рух молекул води, її плинність.

Біологічна роль Н2О

Вода визначає Фізичні властивостіклітки – її об'єм, пружність (тургор). У клітині міститься 95-96% вільної води та 4-5% пов'язаної.Пов'язана вода утворює водні (сольватні) оболонки навколо певних сполук (наприклад, білків), перешкоджаючи їх взаємодії між собою.

Вільна водає хорошим розчинником для багатьох неорганічних та органічних полярних речовин. Речовини добре розчинні у воді називаються гідрофільними. Наприклад, спирти, кислоти, гази, більшість солей Натрію, Калію та ін. Для гідрофільних речовин енергія зв'язку між їх атомами менша, ніж енергія тяжіння цих атомів до молекул води. Тому їх молекули або іони легко вбудовуються в загальну системуводневих зв'язків води.

Вода як універсальний розчинник відіграє надзвичайно важливу роль, оскільки більшість хімічних реакційвідбувається у водних розчинах. Проникнення речовин у клітину та виведення з неї продуктів життєдіяльності в більшості випадків можливе лише у розчиненому вигляді.

Неполярні речовини, що не несуть заряду, вода не розчиняє, оскільки не може утворити з ними водневі зв'язки. Нерозчинні у воді речовини називаються гідрофобними . До них належать жири, жироподібні речовини, полісахариди, каучук.

Деякі органічні молекули мають подвійні властивості: на одних ділянках розташовані полярні групи, а на інших – неполярні. Такі речовини називають амфіпатичними, або амфіфільними. До них відносяться білки, жирні кислоти, фосфоліпіди, нуклеїнові кислоти. Амфіфільні сполуки грають важливу роль організації біологічних мембран, комплексних надмолекулярних структур.

Вода бере безпосередню участь у реакціях гідролізу- Розщеплення органічних сполук. При цьому під дією спеціальних ферментів до вільних валентностей органічних молекулприєднуються іони ВІН - та Н + води. У результаті утворюють нові речовини із новими властивостями.

Вода має велику теплоємність (тобто здатність поглинати тепло при незначних змінах власної температури) і хорошу теплопровідність. Завдяки цим властивостям температура всередині клітини (і організму) підтримується на певному рівні за значних перепадів температури навколишнього середовища.

Важливе біологічне значеннядля функціонування рослин, холоднокровних тварин має те, що під впливом розчинених речовин (вуглеводів, гліцерину) вода може змінювати свої властивості, зокрема температуру замерзання та кипіння.

Властивості води настільки важливі для живих організмів, що не можна уявити існування життя, у тому вигляді, як ми його знаємо, не тільки на Землі, але і на будь-якій іншій планеті без достатнього запасу води.

МІНЕРАЛЬНІ СОЛІ

Можуть перебувати в розчиненому або нерозчиненому стані. Молекули мінеральних солей у водному розчині розпадаються на катіони та аніони.

Зміст води у різних органах рослин коливається у досить широких межах. Воно змінюється залежно від умов довкілля, віку та виду рослин. Так, вміст води у листі салату становить 93-95%, кукурудзи – 75-77%. Кількість води неоднакова у різних органах рослин: у листі соняшника води міститься 80-83%, у стеблах – 87-89%, у корінні – 73-75%. Вміст води, що дорівнює 6-11%, характерно головним чином для повітряно-сухого насіння, в якому процеси життєдіяльності загальмовані.

Вода міститься у живих клітинах, у мертвих елементах ксилеми та у міжклітинниках. У міжклітинниках вода перебуває у пароподібному стані. Основними органами, що випаровують рослини є листя. У зв'язку з цим природно, що найбільше води заповнює міжклітини листя. У рідкому стані вода знаходиться в різних частинахклітини: клітинної оболонки, вакуолі, протоплазми. Вакуолі – найбільш багата водою частина клітини, де вміст її досягає 98%. При найбільшій обводненості вміст води у протоплазмі становить 95%. Найменший змістВода характерна для клітинних оболонок. Кількісне визначення вмісту води в клітинних оболонках утруднене; мабуть, воно коливається від 30 до 50%.

Форми води в різних частинахрослинні клітини також різні. У вакуолярному клітинному соку переважає вода, яка утримується порівняно низькомолекулярними сполуками (осмотично-пов'язана) і вільна вода. В оболонці рослинної клітини вода пов'язана головним чином високополімерними сполуками (целюлозою, геміцелюлозою, пектиновими речовинами), тобто колоїдно-пов'язана вода. У самій цитоплазмі є вода вільна, колоїдно-і осмотично-пов'язана. Вода, що знаходиться на відстані до 1 нм від поверхні білкової молекули, міцно пов'язана і не має правильної гексагональної структури (колоїдно-пов'язана вода). Крім того, в протоплазмі є певна кількість іонів, а отже частина води осмотично пов'язана.

Фізіологічне значення вільної та зв'язаної води по-різному. Більшість дослідників вважає, що інтенсивність фізіологічних процесів, зокрема і темпи зростання, залежить насамперед від вмісту вільної води. Є пряма кореляція між вмістом зв'язаної води та стійкістю рослин проти несприятливих зовнішніх умов. Зазначені фізіологічні кореляції не завжди.

Рослинна клітина поглинає воду за законами осмосу. Осмос спостерігається за наявності двох систем із різною концентрацією речовин, коли вони повідомляються за допомогою напівпроникної мембрани. В цьому випадку за законами термодинаміки вирівнювання концентрацій відбувається за рахунок речовини, для якої мембрана проникна.

При розгляді двох систем з різною концентрацією осмотично активних речовин випливає, що вирівнювання концентрацій у системі 1 і 2 можливе лише за рахунок переміщення води. У системі 1 концентрація води вище, тому потік води спрямований від системи 1 до системи 2. Після досягнення рівноваги реальний потік дорівнюватиме нулю.

Рослинну клітину можна як осмотичну систему. Клітинна стінка, що оточує клітину, має певну еластичність і може розтягуватися. У вакуолі накопичуються розчинні у воді речовини (цукри, органічні кислоти, солі), які мають осмотичну активність. Тонопласт і плазмалемма виконують у цій системі функцію напівпроникної мембрани, оскільки ці структури вибірково проникні, і вода проходить через них значно легше, ніж речовини, розчинені у клітинному соку та цитоплазмі. У зв'язку з цим, якщо клітина потрапляє у навколишнє середовище, де концентрація осмотично активних речовин буде меншою порівняно з концентрацією всередині клітини (або клітина поміщена у воду), вода за законами осмосу повинна надходити всередину клітини.

Можливість молекул води переміщатися з одного місця до іншого вимірюється водним потенціалом (Ψв). За законами термодинаміки вода завжди рухається з області з більш високим водним потенціалом область з нижчим потенціалом.

Водний потенціал(Ψ в) – показник термодинамічного стану води. Молекули води мають кінетичну енергію, в рідині і водяній парі вони безладно рухаються. Водний потенціал більший у тій системі, де вища концентрація молекул і більша їх загальна кінетична енергія. Максимальний водний потенціал має чиста (дистильована) вода. Водний потенціал такої системи умовно прийнято за нуль.

Одиницею вимірювання водного потенціалу є одиниці тиску: атмосфери, паскала, бари:

1 Па = 1 Н/м 2 (Н-ньютон); 1 бар = 0,987 атм = 10 5 Па=100 кПА;

1 атм = 1,0132 бар; 1000 кПа = 1 МПа

При розчиненні у воді іншої речовини знижується концентрація води, зменшується кінетична енергія молекул води, знижується водний потенціал. В усіх розчинах водний потенціал нижчий, ніж у чистої води, тобто. у стандартних умовах він виражається негативною величиною. Кількісно це зниження виражають величиною, що називається осмотичний потенціал(Ψ осм.). Осмотичний потенціал – це міра зниження водного потенціалу з допомогою присутності розчинених речовин. Чим більший у розчині молекул розчиненої речовини, тим осмотичний потенціал нижчий.

При надходженні води в клітину її розміри збільшуються, всередині клітини підвищується гідростатичний тиск, який змушує плазмалему притискатися до клітинної стінки. Клітинна оболонка, у свою чергу, чинить протитиск, який характеризується потенціалом тиску(Ψ давл.) або гідростатичним потенціалом, він зазвичай позитивний і тим більше, ніж більше водив клітці.

Таким чином, водний потенціал клітини залежить від концентрації осмотично діючих речовин – осмотичного потенціалу (Ψ осм.) та від потенціалу тиску (Ψ давл.).

За умови, коли вода не тисне на клітинну оболонку (стан плазмолізу або в'янення), протитиск клітинної оболонки дорівнює нулю, водний потенціал дорівнює осмотичному:

Ψ ст. = Ψ осм.

У міру надходження води в клітину з'являється протитиск клітинної оболонки, водний потенціал буде дорівнює різниціміж осмотичним потенціалом та потенціалом тиску:

Ψ ст. = Ψ осм. + Ψ тиск.

Різниця між осмотичним потенціалом клітинного соку та протитиском клітинної оболонки визначає надходження води у кожний даний момент.

За умови, коли клітинна оболонка розтягується до межі, осмотичний потенціал повністю врівноважується протитиском клітинної оболонки, водний потенціал стає рівним нулю, вода в клітину перестає надходити:

- Ψ осм. = Ψ тиск. , Ψ ст. = 0

Вода завжди надходить у бік більш негативного водного потенціалу: від системи, де енергія більше, до системи, де енергія менше.

Вода в клітину може також надходити за рахунок сил набухання. Білки та інші речовини, що входять до складу клітини, маючи позитивно та негативно заряджені групи, притягують диполі води. Набухання здатні клітинна стінка, що має у своєму складі геміцелюлози і пектинові речовини, цитоплазма, в якій високомолекулярні полярні сполуки становлять близько 80% сухої маси. Вода проникає в структуру, що набухає, шляхом дифузії, рух води йде по градієнту концентрації. Силу набухання позначають терміном матричний потенціал(Ψ матр.). Він залежить від наявності високомолекулярних компонентів клітини. Матричний потенціал завжди негативний. Велике значенняΨ матр. має при поглинанні води структурами, у яких відсутні вакуолі (насіння, клітини меристем).

Вода - це найпоширеніша хімічне з'єднанняна Землі, її маса найбільша у живому організмі. Підраховано, що вода становить 85 % від загальної маси середньостатистичної клітини. Тоді як у клітинах людини вода у середньому становить близько 64%. Однак вміст води в різних клітинах може суттєво коливатися: від 10% у клітинах емалі зубів до 90% у клітинах зародка ссавців. Причому молоді клітини містять більше води, ніж старі. Так, у клітинах немовляти вода становить 86%, у клітинах старої людини лише 50%.

У особин чоловічої статі вміст води в клітинах в середньому 63%, жіночої — трохи менше 52%. Чим це спричинено? Виявляється все просто. У жіночому тілі багато жирової тканини, у клітинах якої мало води. Тому вміст води в жіночому організмі приблизно на 6-10% нижче, ніж у чоловічому.

Унікальні властивості води зумовлені структурою молекули. З курсу хімії вам відомо, що різна електронегативність атомів водню та кисню є причиною виникнення ковалентного полярного зв'язку в молекулі води. Молекула води має форму трикутника (87), де електричні заряди розташовані несиметрично, і є диполем (згадайте визначення цього терміна).

За рахунок електростатичного тяжіння атома водню однієї молекули води атома кисню іншої молекули між молекулами води виникають водневі зв'язки.

Розглянуто особливості структури та фізико- Хімічні властивостіводи (здатність води бути універсальним розчинником, змінна щільність, висока теплоємність, великий поверхневий натяг, плинність, капілярність та ін), що зумовлюють її біологічне значення.

Які функції виконує вода в організм? Вода - це розчинник. Полярна будова молекули води пояснює її властивості розчинника. Молекули води вступають у взаємодію Космосу з хімічними речовинами, елементи яких мають електростатичні зв'язку, і розкладають їх у аніони і катіони, що призводить протікання хімічних реакцій. Як відомо, багато хімічних реакцій відбувається тільки у водному розчині. При цьому сама вода залишається інертною, тому може використовуватись в організмі неодноразово. Вода є середовищем для транспортування різних речовинусередині організму. Крім того, кінцеві продукти обміну речовин виводяться з організму переважно у розчиненому вигляді.

У живих істот існує два основних типи розчинів. (Згадайте класифікацію розчинів.)

Так званий істинний розчинколи молекули розчинника збігаються за розмірами з молекулами розчинної речовини, вони розчиняють. В результаті відбувається дисоціація та утворюються іони. У цьому випадку розчин є гомогенним і, висловлюючись науковою мовою, Складається з однієї - рідкої фази. Типовими прикладами є розчини мінеральних солей, кислот або лугів. Оскільки в таких розчинах є заряджені частинки, то вони здатні проводити електричний струмі є електролітами, як і всі розчини, що зустрічаються в організмі, у тому числі кров хребетних тварин, де міститься багато мінеральних солей.

Колоїдний розчин це той випадок, коли молекули розчинника значно менші за розмірами молекул розчиненої речовини. У таких розчинах частинки речовини, які називаються колоїдними, вільно рухаються в товщі води, оскільки сила їхнього тяжіння не перевищує силу їх зв'язків з молекулами розчинника. Такий розчин вважається гетерогенним, тобто складається з двох фаз - рідкої та твердої. Всі біологічні рідини є сумішами, до складу яких входять справжні та колоїдні розчини, оскільки в них містяться як мінеральні солі, так і величезні молекули (наприклад білків), які мають властивості колоїдних частинок. Тому цитоплазма будь-якої клітини, кров або лімфа тварин, молоко ссавців одночасно містять іони та колоїдні частки.

Як ви, напевно, пам'ятаєте, біологічні системи підпорядковуються всім законам фізики та хімії, тому в біологічних розчинах спостерігаються фізичні явища, які відіграють значну роль у життєдіяльності організмів.

Властивості води

Дифузія (від лат. дифузіо - поширення, розтікання, розсіювання) в біологічних розчинах проявляє себе як тенденція до вирівнювання концентрації структурних частинок розчинених речовин (іонів і колоїдних частинок), що в кінцевому підсумку призводить до рівномірного розподілу речовини в розчині. Саме завдяки дифузії відбувається харчування багатьох одноклітинних істот, транспортування кисню та поживних речовин по тілу тварин за відсутності в них кровоносної та дихальної систем (згадайте, що це за тварини). Крім того, транспортування багатьох речовин до клітин здійснюється саме завдяки дифузії.

Ще одне фізичне явище - осмос (від грец. Осмос - поштовх, тиск) - переміщення розчинника через напівпроникну мембрану. Осмос викликає переміщення води з розчину, що має низьку концентрацію розчинених речовин та високий вміст Н20 у розчині з високою концентрацією розчинених речовин та низьким вмістом води. У біологічних системах це ніщо інше, як транспортування води лише на рівні клітини. Саме тому осмос відіграє значну роль у багатьох біологічних процесах. Сила осмосу забезпечує рух води в рослинному і тваринному організмах, завдяки чому їхні клітини набувають поживних речовин і підтримують постійну форму. При цьому слід зазначити, що чим більша різниця в концентрації речовини, тим більший осмотичний тиск. Тому якщо клітини помістити в гіпотонічний розчин, вони за рахунок різкого надходження води набухнуть і розірвуться.

1. Яку будову має вода?

Відповідь. Молекула води має кутову будову: ядра, що входять до її складу, утворюють рівнобедрений трикутник, в основі якого знаходяться два водні, а у вершині – атом кисню. Міжядерні відстані О-Нблизькі до 0,1 нм, відстань між ядрами атомів водню дорівнює 0,15 нм. З шести електронів, що становлять зовнішній електронний шар атома кисню в молекулі води, дві електронні пари утворюють ковалентні зв'язку О-Н, а інші чотири електрони є дві неподілені електронні пари.

Молекула води є маленьким дипольом, що містить позитивний і негативний заряди на полюсах. У ядер водню є недолік електронної щільності, але в протилежному боцімолекули, біля ядра кисню, спостерігається надлишок електронної густини. Саме така структура визначає полярність молекули води.

2. Яка кількість води (в %) міститься у різних клітинах?

Кількість води неоднакова в різних тканинах та органах. Так, у людини в сірій речовині головного мозку її вміст становить 85%, а в кістковій тканині – 22%. Найбільший вміст води в організмі спостерігається в ембріональний період (95%) та з віком поступово зменшується.

Зміст води у різних органах рослин коливається у досить широких межах. Воно змінюється залежно від умов довкілля, віку та виду рослин. Так, вміст води у листі салату становить 93-95%, кукурудзи – 75-77%. Кількість води неоднакова в різних органах рослин: у листі соняшника води міститься 80-83%, у стеблах – 87-89%, у корінні – 73-75%. Вміст води, що дорівнює 6-11%, характерно головним чином для повітряно-сухого насіння, в якому процеси життєдіяльності загальмовані. Вода міститься у живих клітинах, у мертвих елементах ксилеми та у міжклітинниках. У міжклітинниках вода перебуває у пароподібному стані. Основними органами, що випаровують рослини є листя. У зв'язку з цим природно, що найбільше води заповнює міжклітини листя. У рідкому стані вода знаходиться у різних частинах клітини: клітинній оболонці, вакуолі, цитоплазмі. Вакуолі – найбільш багата водою частина клітини, де вміст її досягає 98%. При найбільшій обводненості вміст води в цитоплазмі становить 95%. Найменший вміст води притаманно клітинних оболонок. Кількісне визначення вмісту води в клітинних оболонках утруднене; мабуть, воно коливається від 30 до 50%. Форми води у різних частинах рослинної клітини також різні.

3. Яка роль води у живих організмах?

Відповідь. Вода – переважний компонент всіх живих організмів. Вона має унікальні властивості завдяки особливостям будови: молекули води мають форму диполя і між ними утворюються водневі зв'язки. Середній вміст води у клітинах більшості живих організмів становить близько 70%. Вода в клітині присутня у двох формах: вільної (95% усієї води клітини) та пов'язаної (4-5% пов'язані з білками).

Функції води:

1. Вода як розчинник. Багато хімічних реакцій у клітині є іонними, тому протікають лише у водному середовищі. Речовини, що розчиняються у воді, називаються гідрофільними (спирти, цукру, альдегіди, амінокислоти), які не розчиняються - гідрофобними (жирні кислоти, целюлоза).

2. Вода як реагент. Вода бере участь у багатьох хімічних реакціях: реакціях полімеризації, гідролізу, у процесі фотосинтезу.

3.Транспортна функція. Пересування організмом разом із водою розчинених у ній речовин до різних його частин і виведення непотрібних продуктів з організму.

4. Вода як термостабілізатор та терморегулятор. Ця функція обумовлена ​​такими властивостями води, як висока теплоємність - пом'якшує вплив на організм значних перепадів температури навколишньому середовищі; висока теплопровідність – дозволяє організму підтримувати однакову температуру у всьому його обсязі; висока теплота випаровування - використовується для охолодження організму при потовиділенні у ссавців та транспірації у рослин.

5. Структурна функція. Цитоплазма клітин містить від 60 до 95 % води, і саме вона надає клітинам їхньої нормальної форми. У рослин вода підтримує тургор (пружність ендоплазматичної мембрани), у деяких тварин служить гідростатичним скелетом (медузи)

Питання після § 7

1. У чому особливість будови молекули води?

Відповідь. Унікальні властивості води визначаються структурою молекули. Молекула води складається з атома, пов'язаного з двома атомами Н полярними. ковалентними зв'язками. Характерне розташування електронів у молекулі води надає їй електричної асиметрії. Більше негативний атом кисню притягує електрони атомів водню сильніше, в результаті загальні пари електронів зміщені в молекулі води в його бік. Тому, хоча молекула води загалом не заряджена, кожен із двох атомів водню має частково позитивним зарядом (позначається 8+), а атом кисню несе частково негативний заряд (8-). Молекула води поляризована і є диполем (має два полюси).

Частково негативний заряд атома кисню однієї молекули води частково притягується позитивними атомами водню інших молекул. Таким чином кожна молекула води прагне зв'язатися водневим зв'язком з чотирма сусідніми молекулами води.

2. Яке значення води як розчинника?

Відповідь. Завдяки полярності молекул та здатності утворювати водневі зв'язки вода легко розчиняє іонні сполуки (солі, кислоти, основи). Добре розчиняються у воді деякі неіонні, але полярні сполуки, т. е. у молекулі яких присутні заряджені (полярні) групи, наприклад цукру, прості спирти, амінокислоти. Речовини, добре розчинні у воді, називаються гідрофільними (від грец. Hygros - вологий і Philia - дружба, схильність). Коли речовина перетворюється на розчин, її молекули чи іони можуть рухатися вільніше і, отже, реакційна здатність речовини зростає. Це пояснює, чому вода є основним середовищем, в якому протікає більшість хімічних реакцій, а всі реакції гідролізу та численні окислювально-відновні реакції йдуть за безпосередньою участю води.

Речовини, погано чи зовсім нерозчинні у воді, називаються гідрофобними (від грец. phobos – страх). До них відносяться жири, нуклеїнові кислоти, деякі білки та полісахариди. Такі речовини можуть утворювати з водою поверхні розділу, на яких протікає багато хімічних реакцій. Отже, те що, що вода не розчиняє неполярні речовини, для живих організмів також дуже важливий. До важливих у фізіологічному відношенні властивостей води належить її здатність розчиняти гази (О2, СО2 та ін).

3. Що таке теплопровідність та теплоємність води?

Відповідь. Вода має високу теплоємність, тобто здатність поглинати теплову енергіюпри мінімальному підвищенні температури. Велика теплоємність води захищає тканини організму від швидкого та сильного підвищення температури. Багато організмів охолоджуються, випаровуючи воду (транспірація у рослин, потовиділення у тварин).

4. Чому вважають, що вода є ідеальною рідиною для клітин?

Відповідь. Високий вміст води в клітині - найважливіша умоваїї діяльності. При втраті більшості води багато організмів гинуть, а ряд одноклітинних і навіть багатоклітинних організмів тимчасово втрачає всі ознаки життя. Такий стан називається анабіозом. Після зволоження клітини прокидаються і стають знову активними.

Молекула води електронейтральна. Але електричний зарядвсередині молекули розподілено нерівномірно: в області атомів водню (точніше, протонів) переважає позитивний заряд, в області, де розташований кисень, вища за щільність негативного заряду. Отже, частка води – це диполь. Дипольною властивістю молекули води пояснюється здатність її орієнтуватися в електричному полі, приєднуватися до різних молекул і ділянок молекул, що несуть заряд. Внаслідок цього утворюються гідрати. Здібністю води утворювати гідрати обумовлені її універсальні розчинні властивості. Якщо енергія тяжіння молекул води до молекул будь-якої речовини більша, ніж енергія тяжіння між молекулами води, речовина розчиняється. Залежно від цього розрізняють гідрофільні (грец. hydros - вода і phileo - люблю) речовини, добре розчинні у воді (наприклад, солі, луги, кислоти ін.), і гідрофобні (грец. hydros - вода і phobos - страх) речовини, важко чи зовсім не розчиняються у воді (жири, жироподібні речовини, каучук та ін.). До складу клітинних мембранвходять жироподібні речовини, що обмежують перехід із зовнішнього середовища в клітини та назад, а також з одних частин клітини в інші.

Більшість реакцій, що протікають у клітині, можуть йти лише у водному розчині. Вода – безпосередній учасник багатьох реакцій. Наприклад, розщеплення білків, вуглеводів та інших речовин відбувається в результаті каталізується ферментами взаємодії їх з водою. Такі реакції називаються реакціями гідролізу (грец. hydros – вода та lysis – розщеплення).

Вода має високу теплоємність і водночас відносно високу для рідин теплопровідність. Ці властивості роблять воду ідеальною рідиною для підтримки теплової рівноваги клітини та організму.

Вода – основне середовище для протікання біохімічних реакцій клітини. Вона є джерелом кисню, що виділяється при фотосинтезі, і водню, який використовується для відновлення продуктів асиміляції вуглекислого газу. І нарешті, вода - основний засіб пересування речовин в організмі (струм крові та лімфи, висхідні та низхідні струми розчинів по судинах у рослин) та в клітці.

5. Яка роль води у клітці

Забезпечення пружності клітини. Наслідки втрати клітиною води в'янення листя, висихання плодів;

Прискорення хімічних реакцій з допомогою розчинення речовин, у воді;

Забезпечення переміщення речовин: надходження більшості речовин у клітину та видалення їх із клітини у вигляді розчинів;

Забезпечення розчинення багатьох хімічних речовин(Ряди солей, цукрів);

Участь у низці хімічних реакцій;

Участь у процесі теплорегуляції завдяки здатності до повільного нагрівання та повільного остигання.

6. Які структурні та фізико-хімічні властивості води визначають її біологічну рольв клітці?

Відповідь. Структурні фізико-хімічні властивості води визначають її біологічні функції.

Вода є добрим розчинником. Завдяки полярності молекул та здатності утворювати водневі зв'язки вода легко розчиняє іонні сполуки (солі, кислоти, основи).

Вода має високу теплоємність, тобто здатність поглинати теплову енергію при мінімальному підвищенні власної температури. Велика теплоємність води захищає тканини організму від швидкого та сильного підвищення температури. Багато організмів охолоджуються, випаровуючи воду (транспірація у рослин, потовиділення у тварин).

Вода має також високу теплопровідність, забезпечуючи рівномірний розподіл тепла по всьому організму. Отже, висока питома теплоємність і висока теплопровідність роблять воду ідеальною рідиною підтримки теплового рівноваги клітини і організму.

Вода практично не стискається, створюючи тургорний тиск, визначаючи об'єм та пружність клітин та тканин. Так, саме гідростатичний скелет підтримує форму у круглих хробаків, медуз та інших організмів.

Вода характеризується оптимальним для біологічних систем значенням сили поверхневого натягу, що виникає завдяки утворенню водневих зв'язків між молекулами води та іншими речовинами. Завдяки силі поверхневого натягу відбувається капілярний кровотік, висхідний і низхідний струм розчинів у рослинах.

У певних біохімічних процесах вода виступає як субстрат.

Зміст води у різних органах рослин коливається у досить широких межах. Воно змінюється залежно від умов довкілля, віку та виду рослин. Так, вміст води у листі салату становить 93-95%, кукурудзи – 75-77%. Кількість води неоднакова в різних органах рослин: у листі соняшника води міститься 80-83%, у стеблах – 87-89%, у корінні – 73-75%. Вміст води, що дорівнює 6-11%, характерно головним чином для повітряно-сухого насіння, в якому процеси життєдіяльності загальмовані.

Вода міститься у живих клітинах, у мертвих елементах ксилеми та у міжклітинниках. У міжклітинниках вода перебуває у пароподібному стані. Основними органами, що випаровують рослини є листя. У зв'язку з цим природно, що найбільше води заповнює міжклітини листя. У рідкому стані вода знаходиться у різних частинах клітини: клітинній оболонці, вакуолі, цитоплазмі. Вакуолі – найбільш багата водою частина клітини, де вміст її досягає 98%. При найбільшій обводненості вміст води у цитоплазмі становить 95%. Найменший вміст води притаманно клітинних оболонок. Кількісне визначення вмісту води в клітинних оболонках утруднене; мабуть, воно коливається від 30 до 50%.

Форми води у різних частинах рослинної клітини також різні. У вакуолярному клітинному соку переважає вода, яка утримується порівняно низькомолекулярними сполуками (осмотично пов'язана) і вільна вода. В оболонці рослинної клітини вода пов'язана, головним чином, високополімерними сполуками (целюлозою, геміцелюлозою, пектиновими речовинами), тобто колоїдно-пов'язана вода. У самій цитоплазмі є вода вільна, колоїдно-і осмотично пов'язана. Вода, що знаходиться на відстані до 1 нм від поверхні білкової молекули, міцно пов'язана і не має правильної гексагональної структури (колоїдно-пов'язана вода). Крім того, в цитоплазмі є певна кількість іонів, а отже частина води осмотично пов'язана.

Фізіологічне значення вільної та зв'язаної води по-різному. Як вважає більшість дослідників, інтенсивність фізіологічних процесів, у тому числі й темпів зростання залежить в першу чергу від вмісту вільної води. Є пряма кореляція між вмістом зв'язаної води та стійкістю рослин проти несприятливих зовнішніх умов. Зазначені фізіологічні кореляції не завжди.

Для свого нормального існування клітини та рослинний організм загалом повинні містити певну кількість води. Однак це легко можна здійснити лише для рослин, що ростуть у воді. Для сухопутних рослин це завдання ускладнюється тим, що вода в рослинному організмі безперервно втрачається в процесі випаровування. Випаровування води рослиною досягає великих розмірів. Можна навести такий приклад: одна рослина кукурудзи випаровує за вегетаційний період до 180 кг води, а 1 га лісу Південній Америцівипаровує в середньому за добу 75 тис. кг води. Величезна витрата води пов'язана з тим, що більшість рослин має значну листову поверхню, що знаходиться в атмосфері, не насиченою парамиводи. Разом з тим розвиток великої поверхні листя необхідний і виробився в процесі тривалої еволюції для забезпечення нормального живлення вуглекислим газом, що міститься в повітрі в незначній концентрації (0,03%). У своїй знаменитій книзі «Боротьба рослин із посухою» К.А. Тимірязєв ​​вказував, що протиріччя між необхідністю вловлювати вуглекислий газі скорочувати витрати води наклало відбиток на будову всього рослинного організму.

Для того щоб відшкодувати втрати води при випаровуванні, рослина повинна безперервно надходити велику її кількість. Безперервно йдуть у рослині два процеси - надходження та випаровування води - називають водним балансом рослин.Для нормального зростання та розвитку рослин необхідно, щоб витрата води приблизно відповідала приходу, або, інакше кажучи, щоб рослина зводила свій водний баланс без великого дефіциту. Для цього у рослині в процесі природного відбору виробилися пристосування до поглинання води (колосально розвинена коренева система), до пересування води (спеціальна провідна система), до скорочення випаровування (система покривних тканин і система устьичних отворів, що автоматично закриваються).

Незважаючи на всі зазначені пристрої, в рослині часто спостерігається водний дефіцит, тобто надходження води не врівноважується її витрачанням у процесі транспірації.

Фізіологічні порушення настають у різних рослин за різного ступеня водного дефіциту. Є рослини, які виробили у процесі еволюції різноманітні пристосування до перенесення зневоднення (посухостійкі рослини). З'ясування фізіологічних особливостей, визначальних стійкість рослин до нестачі води,- найважливіше завдання, дозвіл якої має велике як теоретичне, а й сільськогосподарське практичне значення. Разом з тим, для того, щоб її вирішити, необхідне знання всіх сторін водообміну рослинного організму.