Какое количество воды содержится в различных клетках
1. Какое строение имеет вода?
Ответ. Молекула воды имеет угловое строение: входящие в её состав ядра образуют равнобедренный треугольник, в основании которого находятся два водорода, а в вершине – атом кислорода. Межъядерные расстояния О-Н близки к 0,1 нм, расстояние между ядрами атомов водорода равно 0,15 нм. Из шести электронов, составляющих внешний электронный слой атома кислорода в молекуле воды, две электронные пары образуют ковалентные связи О-Н, а остальные четыре электрона представляют собой две неподелёные электронные пары.
Молекула воды представляет собой маленький диполь, содержащий положительный и отрицательный заряды на полюсах. Около ядер водорода имеется недостаток электронной плотности, а на противоположной стороне молекулы, около ядра кислорода, наблюдается избыток электронной плотности. Именно такая структура и определяет полярность молекулы воды.
2. Какое количество воды (в %) содержится в различных клетках?
Ответ. Содержание воды в живых организмах составляет 60—75 % их массы, а у некоторых, например медуз, — до 98 %. В листьях и сочных плодах растений содержание воды также может достигать 98 %.
Количество воды неодинаково в разных тканях и органах. Так, у человека в сером веществе головного мозга ее содержание составляет 85 %, а в костной ткани — 22 %. Наибольшее содержание воды в организме наблюдается в эмбриональный период (95 %) и с возрастом постепенно уменьшается.
Содержание воды в различных органах растений колеблется в довольно широких пределах. Оно изменяется в зависимости от условий внешней среды, возраста и вида растений. Так, содержание воды в листьях салата составляет 93—95%, кукурузы — 75—77%. Количество воды неодинаково в разных органах растений: в листьях подсолнечника воды содержится 80—83%, в стеблях — 87—89%, в корнях — 73—75%. Содержание воды, равное 6—11%, характерно главным образом для воздушно-сухих семян, в которых процессы жизнедеятельности заторможены. Вода содержится в живых клетках, в мертвых элементах ксилемы и в межклетниках. В межклетниках вода находится в парообразном состоянии. Основными испаряющими органами растения являются листья. В связи с этим естественно, что наибольшее количество воды заполняет межклетники листьев. В жидком состоянии вода находится в различных частях клетки: клеточной оболочке, вакуоли, цитоплазме. Вакуоли — наиболее богатая водой часть клетки, где содержание ее достигает 98%. При наибольшей оводненности содержание воды в цитоплазме составляет 95%. Наименьшее содержание воды характерно для клеточных оболочек. Количественное определение содержания воды в клеточных оболочках затруднено; по-видимому, оно колеблется от 30 до 50%. Формы воды в разных частях растительной клетки также различны.
3. Какова роль воды в живых организмах?
Ответ. Вода – преобладающий компонент всех живых организмов. Она обладает уникальными свойствами благодаря особенностям строения: молекулы воды имеют форму диполя и между ними образуются водородные связи. Среднее содержание воды в клетках большинства живых организмов составляет около 70%. Вода в клетке присутствует в двух формах: свободной (95% всей воды клетки) и связанной (4-5% связаны с белками) .
Функции воды:
1.Вода как растворитель. Многие химические реакции в клетке являются ионными, поэтому протекают только в водной среде. Вещества, растворяющиеся в воде, называются гидрофильными (спирты, сахара, альдегиды, аминокислоты), не растворяющиеся – гидрофобными (жирные кислоты, целлюлоза).
2.Вода как реагент. Вода участвует во многих химических реакциях: реакциях полимеризации, гидролиза, в процессе фотосинтеза.
3.Транспортная функция. Передвижение по организму вместе с водой растворенных в ней веществ к различным его частям и выведение ненужных продуктов из организма.
4.Вода как термостабилизатор и терморегулятор. Эта функция обусловлена такими свойствами воды, как высокая теплоемкость – смягчает влияние на организм значительных перепадов температуры в окружающей среде; высокая теплопроводность – позволяет организму поддерживать одинаковую температуру во всем его объеме; высокая теплота испарения – используется для охлаждения организма при потоотделении у млекопитающих и транспирации у растений.
5.Структурная функция. Цитоплазма клеток содержит от 60 до 95 % воды, и именно она придает клеткам их нормальную форму. У растений вода поддерживает тургор (упругость эндоплазматической мембраны) , у некоторых животных служит гидростатическим скелетом (медузы)
Вопросы после § 7
1. В чём особенность строения молекулы воды?
Ответ. Уникальные свойства воды определяются структурой её молекулы. Молекула воды состоит из атома О, связанного с двумя атомами Н полярными ковалентными связями. Характерное расположение электронов в молекуле воды придаёт ей электрическую асимметрию. Более электроотрицательный атом кислорода притягивает электроны атомов водорода сильнее, в результате общие пары электронов смещены в молекуле воды в его сторону. Поэтому, хотя молекула воды в целом не заряжена, каждый из двух атомов водорода обладает частично положительным зарядом (обозначаемым 8+), а атом кислорода несёт частично отрицательный заряд (8-). Молекула воды поляризована и является диполем (имеет два полюса).
Частично отрицательный заряд атома кислорода одной молекулы воды притягивается частично положительными атомами водорода других молекул. Таким образом, каждая молекула воды стремится связаться водородной связью с четырьмя соседними молекулами воды.
2. Каково значение воды как растворителя?
Ответ. Благодаря полярности молекул и способности образовывать водородные связи вода легко растворяет ионные соединения (соли, кислоты, основания). Хорошо растворяются в воде и некоторые неионные, но полярные соединения, т. е. в молекуле которых присутствуют заряженные (полярные) группы, например сахара, простые спирты, аминокислоты. Вещества, хорошо растворимые в воде, называются гидрофильными (от греч. hygros – влажный и philia – дружба, склонность). Когда вещество переходит в раствор, его молекулы или ионы могут двигаться более свободно и, следовательно, реакционная способность вещества возрастает. Это объясняет, почему вода является основной средой, в которой протекает большинство химических реакций, а все реакции гидролиза и многочисленные окислительно-восстановительные реакции идут при непосредственном участии воды.
Вещества, плохо или вовсе нерастворимые в воде, называются гидрофобными (от греч. phobos – страх). К ним относятся жиры, нуклеиновые кислоты, некоторые белки и полисахариды. Такие вещества могут образовывать с водой поверхности раздела, на которых протекают многие химические реакции. Следовательно, тот факт, что вода не растворяет неполярные вещества, для живых организмов также очень важен. К числу важных в физиологическом отношении свойств воды относится её способность растворять газы (О2, СО2 и др.).
3. Что такое теплопроводность и теплоёмкость воды?
Ответ. Вода обладает высокой теплоёмкостью, т. е. способностью поглощать тепловую энергию при минимальном повышении собственной температуры. Большая теплоёмкость воды защищает ткани организма от быстрого и сильного повышения температуры. Многие организмы охлаждаются, испаряя воду (транспирация у растений, потоотделение у животных).
Вода обладает также высокой теплопроводностью, обеспечивая равномерное распределение тепла по всему организму. Следовательно, высокая удельная теплоёмкость и высокая теплопроводность делают воду идеальной жидкостью для поддержания теплового равновесия клетки и организма.
4. Почему считают, что вода является идеальной жидкостью для клетки?
Ответ. Высокое содержание воды в клетке – важнейшее условие ее деятельности. При потере большей части воды многие организмы гибнут, а ряд одноклеточных и даже многоклеточных организмов временно утрачивает все признаки жизни. Такое состояние называется анабиозом . После увлажнения клетки пробуждаются и становятся вновь активными.
Молекула воды электронейтральна. Но электрический заряд внутри молекулы распределен неравномерно: в области атомов водорода (точнее, протонов) преобладает положительный заряд, в области, где расположен кислород, выше плотность отрицательного заряда. Следовательно, частица воды – это диполь. Дипольным свойством молекулы воды объясняется способность ее ориентироваться в электрическом поле, присоединяться к различным молекулам и участкам молекул, несущим заряд. В результате этого образуются гидраты. Способностью воды образовывать гидраты обусловлены ее универсальные растворяющие свойства. Если энергия притяжения молекул воды к молекулам какого-либо вещества больше, чем энергия притяжения между молекулами воды, то вещество растворяется. В зависимости от этого различают гидрофильные (греч. hydros – вода и phileo – люблю) вещества, хорошо растворимые в воде (например, соли, щелочи, кислоты др.), и гидрофобные (греч. hydros – вода и phobos – боязнь) вещества, трудно или вовсе не растворимые в воде (жиры, жироподобные вещества, каучук и др.). В состав клеточных мембран входят жироподобные вещества, ограничивающие переход из наружной среды в клетки и обратно, а также из одних частей клетки в другие.
Большинство реакций, протекающих в клетке, могут идти только в водном растворе. Вода – непосредственный участник многих реакций. Например, расщепление белков, углеводов и других веществ происходит в результате катализируемого ферментами взаимодействия их с водой. Такие реакции называются реакциями гидролиза (греч. hydros – вода и lysis – расщепление).
Вода имеет высокую теплоемкость и одновременно относительно высокую для жидкостей теплопроводность. Эти свойства делают воду идеальной жидкостью для поддержания теплового равновесия клетки и организма.
Вода — основная среда для протекания биохимических реакций клетки. Она источник кислорода, выделяемого при фотосинтезе, и водорода, который используется для восстановления продуктов ассимиляции углекислого газа. И наконец, вода – основное средство передвижения веществ в организме (ток крови и лимфы, восходящие и нисходящие токи растворов по сосудам у растений) и в клетке.
5. Какова роль воды в клетке
Ответ. Содержание воды в клетке — от 40 до 98% ее массы. Роль воды в клетке:
— обеспечение упругости клетки. Последствия потери клеткой воды увядание листьев, высыхание плодов;
— ускорение химических реакций за счет растворения веществ в воде;
— обеспечение перемещения веществ: поступление большинства веществ в клетку и удаление их из клетки в виде растворов;
— обеспечение растворения многих химических веществ (ряда солей, сахаров);
— участие в ряде химических реакций;
— участие в процессе теплорегуляции благодаря способности к медленному нагреванию и медленному остыванию.
6. Какие структурные и физико-химические свойства воды определяют её биологическую роль в клетке?
Ответ. Структурные физико-химические свойства воды определяют ее биологические функции.
Вода является хорошим растворителем. Благодаря полярности молекул и способности образовывать водородные связи вода легко растворяет ионные соединения (соли, кислоты, основания).
Вода обладает высокой теплоёмкостью, т. е. способностью поглощать тепловую энергию при минимальном повышении собственной температуры. Большая теплоёмкость воды защищает ткани организма от быстрого и сильного повышения температуры. Многие организмы охлаждаются, испаряя воду (транспирация у растений, потоотделение у животных).
Вода обладает также высокой теплопроводностью, обеспечивая равномерное распределение тепла по всему организму. Следовательно, высокая удельная теплоёмкость и высокая теплопроводность делают воду идеальной жидкостью для поддержания теплового равновесия клетки и организма.
Вода практически не сжимается, создавая тургорное давление, определяя объём и упругость клеток и тканей. Так, именно гидростатический скелет поддерживает форму у круглых червей, медуз и других организмов.
Вода характеризуется оптимальным для биологических систем значением силы поверхностного натяжения, которое возникает благодаря образованию водородных связей между молекулами воды и молекулами других веществ. Благодаря силе поверхностного натяжения происходит капиллярный кровоток, восходящий и нисходящий токи растворов в растениях.
В определенных биохимических процессах вода выступает в качестве субстрата.
Источник
Свойства воды и ее роль в клетке:
На первом месте среди веществ клетки стоит вода. Она составляет около 80% массы клетки. Вода важна для живых организмов вдвойне, ибо она необходима не только как компонент клеток, но для многих и как среда обитания.
1. Вода определяет физические свойства клетки – ее объем, упругость.
2. Многие химические процессы протекают только в водном растворе.
3. Вода – хороший растворитель: многие вещества поступают в клетку из внешней среды в водном растворе, и в водном же растворе отработанные продукты выводятся из клетки.
4. Вода обладает высокой теплоемкостью и теплопроводностью.
5. Вода обладает уникальным свойством: при охлаждении ее от +4 до 0 градусов, она расширяется. Поэтому лед оказывается легче жидкой воды и остается на ее поверхности. Это очень важно для организмов, обитающих в водной среде.
6. Вода может быть хорошим смазочным материалом.
Биологическая роль воды определяется малыми размерами ее молекул, их полярностью и способностью соединяться друг с другом водородными связями.
Биологические функции воды:
транспортная. Вода обеспечивает передвижение веществ в клетке и организме, поглощение веществ и выведение продуктов метаболизма. В природе вода переносит продукты жизнедеятельности в почвы и к водоемам.
метаболическая. Вода является средой для всех биохимических реакций, донором электронов при фотосинтезе; она необходима для гидролиза макромолекул до их мономеров.
вода участвует в образовании смазывающих жидкостей и слизей, секретов и соков в организме.
За очень немногими исключениями (кость и эмаль зуба), вода является преобладающим компонентом клетки. Вода необходима для метаболизма (обмена) клетки, так как физиологические процессы происходят исключительно в водной среде. Молекулы воды участвуют во многих ферментативных реакциях клетки. Например, расщепление белков, углеводов и других веществ происходит в результате катализируемого ферментами взаимодействия их с водой. Такие реакции называются реакциями гидролиза.
Вода служит источником ионов водорода при фотосинтезе. Вода в клетке находится в двух формах: свободной и связанной. Свободная вода составляет 95% всей воды в клетке и используется главным образом как растворитель и как дисперсионная среда коллоидной системы протоплазмы. Связанная вода, на долю которой приходится всего 4% всей воды клетки, непрочно соединена с белками водородными связями.
Из-за асимметричного распределения зарядов молекула воды действует как диполь и потому может быть связана как положительно, так и отрицательно заряженными группами белка. Дипольным свойством молекулы воды объясняется способность ее ориентироваться в электрическом поле, присоединяться к различным молекулам и участкам молекул, несущим заряд. В результате этого образуются гидраты
Благодаря своей высокой теплоемкости вода поглощает тепло и тем самым предотвращает резкие колебания температуры в клетке. Содержание воды в организме зависит от его возраста и метаболической активности. Оно наиболее высоко в эмбрионе (90% ) и с возрастом постепенно уменьшается. Содержание воды в различных тканях варьируется в зависимости от их метаболической активности. Например, в сером веществе мозга воды до 80%, а в костях до 20%. Вода — основное средство перемещения веществ в организме (ток крови, лимфы, восходящие и нисходящие токи растворов по сосудам у растений) и в клетке. Вода служит «смазочным» материалом, необходимым везде, где есть трущиеся поверхности (например, в суставах). Вода имеет максимальную плотность при 4°С. Поэтому лед, обладающий меньшей плотностью, легче воды и плавает на ее поверхности, что защищает водоем от промерзания. Это свойство воды спасает жизнь многим водным организмам.
Источник
Состояние воды в клетке
Вода содержится в живых клетках, мертвых сосудах, межклетниках. Во взрослой растительной клетке основная масса воды находится в вакуоли, а на долю цитоплазмы приходится лишь 5%. Определить количество воды в клеточных стенках достаточно трудно; по-видимому, оно колеблется от 25 до 40%. В клетках меристем, имеющих очень маленькие вакуоли и тонкие клеточные стенки, большая часть воды находится в цитоплазме. Оводненность органелл составляет 65%, цитозоля — 95—98, в ядре содержится 20—30, хлоропластах — 14—20, митохондриях — 5—7 от всей воды протопласта; мембраны содержат 25—30% воды.
Как известно, молекула воды является диполем: один ее полюс заряжен положительно, а другой — отрицательно. Это влияет на состояние воды в клетке, так как в ней, во-первых, содержится много ионов и, во-вторых, положительно и отрицательно заряженные группы атомов входят в состав биополимеров. Благодаря этому в клетках есть связанная и свободная вода.
Вода взаимодействует с биополимерами, прежде всего с белками, по-разному. Благодаря электростатическому притяжению молекул воды происходит гидратация ионизированных (—NH4, — СОО ) и гегерополярных групп (—СООН, —ОН, —СО—Н, > С = О, > NH, NH2, —CONH2, —SII) полипептидных цепей. Одна молекула белка может связать 850—1000 молекул воды. Степень гидратации зависит от количества полярных, неполярных, ионизированных групп на поверхности белковой молекулы, характера их расположения, а также величины pH среды, от которой зависит количество ионизированных групп. В изоэлектрической точке степень гидратации наименьшая. Вода располагается вокруг коллоида в виде сферы, состоящей из нескольких слоев молекул воды. Па расстоянии 1 мкм от поверхности белка эта вода прочно связана. Отнятие у белков связанной воды сопровождается изменениями третичной структуры макромолекул, определяющей индивидуальность и функционирование белка.
В клеточной стенке находятся также высоконолимерные соединения — целлюлоза, гемицеллюлоза, пектиновые вещества, которые связывают воду. Вода, связываемая молекулами биополимеров, называется коллоидно связанной. Она может также находиться внутри макромолекулы или между макромолекулами. Такая вода называется иммобилизованной.
Кроме коллоидов, цитоплазма содержит также ионы, которые оказывают влияние на состояние содержащейся в ней воды. Катионы притягивают полюс молекулы воды с отрицательно заряженным атомом кислорода, тогда как анионы – с положительно заряженными атомами водорода. Воду, связанную ионами или низкомолекулярными соединениями, называют осмотически связанной.
Итак, связанная вода подразделяется на осмотически связанную и коллоидно связанную.
Коллоидно и осмотически связанная вода, образующая оболочки вокруг коллоидов или ионов, получила название гидратационной. Количество гидратационной воды зависит от объекта и его физиологического состояния и составляет 20—50% от сухой массы. Общее же содержание воды, например в листьях растений, в 10 раз превышает количество гидратационной воды.
Вода, не входящая в состав водных оболочек (негидратационная), находится в клетке тоже в разных формах. Диполи этой воды могут взаимодействовать друг с другом. Положительный заряд атома водорода одной молекулы притягивается к отрицательному заряду другой, и между молекулами возникают водородные связи. Каждая молекула воды притягивает к себе еще четыре ее молекулы. В результате возникают короткоживущие агрегаты — тетраэдры (от греч. tetra — четыре и hedra — основание, сторона). Водородные связи непрерывно возникают и разрушаются; время полужизни каждой из них менее 1 • 10-9 с. Поэтому такие группы назвачи мерцающими кластерами (от англ, cluster — группа, скопление). Последние взаимодействуют друг с другом, и образуется более сложная ажурная решетка {гексагональная структура) (рис. 3.2), в пустотах которой находятся молекулы воды, не образующие никакой структуры (плотно упакованная вода).
Рис. 3.2. Гексагональная структура, образованная водными тетраэдрами1
Таким образом, нсгидратационная вода находится в клетке в двух формах: решеточно упорядоченной (типа мерцающих кластеров) и плотно упакованной. Обе фракции воды непрерывно переходят друг в друга. Плотно упакованная вода но своим свойствам напоминает свободную воду.
В твердом состоянии (лед) все молекулы воды соединены водородными связями и образуют правильную гексагональную решетку (от греч. hex — шесть и gonia — угол). При нагревании лед плавится, и часть этих связей разрывается. Однако даже при 37°С сохраняется 15% водородных связей. Для того чтобы в процессе испарения молекулы воды оторвались от водной поверхности, необходимо затратить дополнительное количество энергии. Поэтому в результате испарения воды (транспирации) температура тканей растения понижается, что имеет большое физиологическое значение.
Итак, практически вся вода клетки в той или иной степени связана, поэтому договорились считать связанной ту воду, которая не замерзает при температуре -15°С.
Свободная вода сохраняет все основные свойства чистой воды. Она легко передвигается, вступает в химические реакции, испаряется и замерзает. [1]
Состояние воды в разных частях клетки неодинаково. В самой цитоплазме находится в основном коллоидно связанная вода, но имеется свободная и осмотически связанная. В клеточном соке преобладают осмотически связанная и свободная вода. Клеточные стенки удерживают воду за счет высокой гидрофильности своих пектиновых веществ и целлюлозы. Они содержат две фракции воды — подвижную и малоподвижную. Вода, которая находится в микрокапиллярных пространствах, и та, которая удерживается водородными связями на микрофибриллах целлюлозы, считается малоподвижной. Значительные количества воды в крупных капиллярных пространствах между микрофибриллами целлюлозы легко перемещаются. Примерно треть воды, находящейся в клеточной стенке, связана, остальная ее часть свободна.
Физиологическое значение свободной и связанной воды различно. Скорость химических реакций зависит от состояния и структуры воды. Интенсивность физиологических процессов зависит, в первую очередь, от содержания свободной воды. Вместе с тем имеется положительная корреляция между содержанием связанной воды и устойчивостью клеток к неблагоприятным условиям.
Как же вода поступает в клетку? В настоящее время говорят о двух механизмах — осмотическом и коллоидно-химическом (набухании).
Источник