Какие свойства воды обеспечили ее значительное распространение на земле и в биосистемах

Обновлено: 15.05.2024

Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику

Реферат по дисциплине:

Исполнитель:

Харитонова Татьяна Валерьевна

Москва 20 19 год

Молекулярно-кинетическая теория вещества и воды…………… 6 - 8

Молекулярная структура воды…………………………………….. 9 – 12

Фазовые переходы воды……………………………………………. 13

Биологическая активность воды……………………………………14

Вода - сок жизни. Такое определение дал воде Леонардо да Винчи. В воде зародилась жизнь, без воды не возможно вообще существование - ни растений, ни животных, ни людей. Академик Ферсман назвал воду " самым важным минералом на земле, без которого нет жизни". Вода - это величайшая ценность не только для жителей пустыни, но и для каждого человека. Восточная поговорка гласит: "Где вода, там жизнь. Где кончается вода, там кончается земля". Вода входит в состав всех живых организмов, причём в целом в них содержится лишь вдвое меньше воды, чем во всех реках Земли. По словам французского биолога Э. Дюбуа-Реймона, живой организм есть l'eau animйe (одушевлённая вода). Вода – источник жизни на Земле, великая природная ценность, покрывающая 71% поверхности нашей планеты, самое распространенное химическое соединение и необходимая основа для существования всего живого на планете. На Земле нет других веществ, наделенных способностью быть жидкостью при температурах существования человека и при этом образовывать газ не только легче воздуха, но и способный возвращаться к её поверхности в виде осадков.

Высокое содержание в растениях (до 90%) и в теле человека (около 70%) лишь подтверждает важность этого компонента, не имеющего вкуса, запаха и цвета.

Биологические функции воды: транспортная - вода обеспечивает передвижение веществ в клетке и организме, поглощение веществ и выведение продуктов метаболизма. вода является средой для всех биохимических реакций, вода является 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, благодаря своей высокой теплоемкости вода поглощает тепло и тем самым предотвращает резкие колебания температуры в клетке. Вода имеет максимальную плотность при 4°С. Лед, обладающий меньшей плотностью, легче воды и плавает на ее поверхности, что защищает водоем от промерзания. Это свойство воды спасает жизнь многим водным организмам. Свойства воды постоянно изменяются в пространстве и во времени. Свойства воды внутри объема, у поверхности (граница с воздухом) и у стенки сосуда сильно различаются, так как у стенки сосуда вода приобретает свойства связанной воды. Свойства воды будут различаться, если вода находится в сосудах из разных материалов (стекло, пластик, металл). Свойства воды в тонком капилляре и в тонком слое (в пленке) будут сильно отличаться от свойств воды в большом объеме. При проведении измерений с высокой точностью свойства воды окажутся зависимыми от времени года, светит или не светит солнце за окном, включен кондиционер или нет, и многих других факторов, которые трудно учесть. Можно выделить несколько сильно взаимосвязанных понятий, из которых каждое понятие является следствием предыдущего: состав воды, структура воды, свойства воды, биологическая активность, степень структурированности. Знание уникальных свойств воды имеет громадное значение для общего понимания физиологии организма.

Цель: рассмотреть факторы, влияющие на уникальные свойства воды.

Состав воды

Вода - уникальное вещество и все её аномальные свойства: высокая температура кипения, значительная растворяющая и диссоциирующая способность, малая теплопроводность, высокая теплота испарения и другие обусловлены строением её молекулы и пространственной структурой.

Вода представляет собой сложное вещество, основной структурной единицей которого является молекула H2O, состоящая из двух атомов водорода и одного атома кислорода. У отдельно взятой молекулы воды есть качество, которое проявляется только в присутствии других молекул: способность образовывать водородные мостики между атомами кислорода двух оказавшихся рядом молекул, так, что атом водорода располагается на отрезке, соединяющем атомы кислорода.

Свойство образовывать такие мостики обусловлено наличием особого межмолекулярного взаимодействия, в котором существенную роль играет атом водорода. Это взаимодействие называется водородной связью. Каждая из присоединённых к данной молекул воды сама способна к присоединению дальнейших молекул. Этот процесс можно называть "полимеризацией".

Если только одна из двух возможных связей участвует в присоединении следующей молекулы, а другая остаётся вакантной, то "полимеризация" приведёт к образованию либо зигзагообразной цепи, либо замкнутого кольца. Наименьшее кольцо, по-видимому, может состоять из четырёх молекул, но величина угла 90° делает водородные связи крайне напряжёнными. Практически ненапряжёнными должны быть пятизвенные кольца (угол 108°), а шестизвенные (угол 120°), также как и семизвенные - напряжённые. Рассмотрение реальных структур гидратов показывает, что, действительно, наиболее устойчиво шестизвенное кольцо, находимое в структурах льдов. Плоские кольца являются привилегией клатратных гидратов, причём во всех известных структурах чаще всего встречаются плоские пятизвенные кольца из молекул воды. Они, как правило, чередуются во всех структурах клатратных гидратов с шестизвенными кольцами, очень редко с четырёхзвенными, а в одном случае - с плоским семизвенным. В целом структура воды представляется как смесь всевозможных гидратных структур, которые могут в ней образоваться.

В прикладном аспекте это, например, имеет важное значение для понимания действия лекарственных веществ. Как было показано Л. Полингом структурированная клатратная форма воды в межсинаптических образованиях мозга обеспечивает, с одной стороны, передачу импульсов с нейрона на нейрон, а, с другой стороны при попадании в эти участки наркозного вещества такая передача нарушается, то есть наблюдается явление наркоза. Гидратация некоторых структур мозга является одной из основ реализации действия наркотических анальгетиков (морфина).

Молекулярно-кинетическая теория вещества и воды

Структура воды в трех ее агрегатных состояниях еще не может считаться окончательно установленной. Существует ряд гипотез, объясняющих строение пара, воды и льда. Эти гипотезы в большей или меньшей степени опираются на молекулярно-кинетическую теорию строения вещества, основы которой были заложены еще .

В свою очередь, молекулярно-кинетическая теория исходит из принципов классической механики, в которой молекулы (атомы) рассматриваются как шарики правильной формы, электрически нейтральные, идеально упругие. Такие молекулы подвержены лишь механическим соударениям и не испытывают никаких электрических сил взаимодействия. По этим причинам использование молекулярно-кинетической теории может лишь в первом приближении объяснить строение вещества. Газ — водяной пар, — согласно молекулярно-кинетической теории, представляет собой собрание молекул. Расстояние между ними во много раз больше размеров самих молекул. Молекулы газа находятся в непрерывном беспорядочном движении, пробегая путь между стенками сосудов, в котором заключен газ, и сталкиваясь друг с другом на этом пути.

Соударения молекул между собой происходят без потери механической энергии; они рассматриваются как соударения идеально упругих шариков. Удары молекул о стенки ограничивающего их сосуда обусловливают давление газа на эти стенки. Скорость движения молекул увеличивается с повышением температуры и уменьшается с ее падением. Когда температура газа, уменьшаясь от более высоких значений, приближается к температуре кипения жидкости (для воды 100°C при нормальном давлении), скорость молекул уменьшается, и при соударении силы притяжения между ними становятся больше сил упругих отталкиваний при ударе и поэтому газ конденсируется в жидкость.

При искусственном сжижении газа температура его должна быть ниже так называемой критической, которой отвечает и критическое давление. При температуре выше критической газ (пар) никаким давлением не может быть переведен в жидкость. Величина RTкр/ (PкрVкр) для всех газов, в том числе и для водяного пара, должна быть равна 8/3=2,667 (здесь R — газовая постоянная; Tкр, Pкр, Vкр — соответственно критические температура, давление, объем). Однако для водяного пара она равна 4,46. Это объясняется тем, что в состав пара входят не только одиночные молекулы, но и их ассоциации.

Аморфные тела изотропны, т. е. обладают одинаковыми свойствами во всех направлениях. Лед является кристаллическим телом.

Молекулярная структура воды

Проблема оценки структуры воды пока остается одной из самых сложных. Рассмотрим кратко две обобщенные гипотезы о структуре воды, получившие наибольшее признание, одна — в начальный период развития учения о структуре воды, другая — в настоящее время.

Согласно гипотезе, предложенной Уайтингом (1883г.) и имеющей к настоящему времени различные интерпретации, основной строительной единицей водяного пара является молекула H2O, называемая гидроль, или моногидроль. Основной строительной единицей воды является двойная молекула воды (H2O)2—дигидроль; лед же состоит из тройных молекул (H2O)3 — тригидроль. На этих представлениях основана так называемая гидрольная теорияструктуры воды.

Водяной пар, согласно этой теории, состоит из собрания простейших молекул моногидроля и их ассоциаций, а также из незначительного количества молекул дигидроля. Вода в жидком виде представляет собой смесь молекул моногидроля, дигидроля и тригидроля. Соотношение числа этих молекул в воде различно и зависит от температуры. Согласно этой гипотезе, соотношение количества молекул воды и объясняет одну из основных ее аномалий — наибольшую плотность воды при 4°С.

Так как молекула воды несимметрична, то центры тяжести положительных и отрицательных зарядов ее не совпадают. Молекулы имеют два полюса — положительный и отрицательный, создающие, как магнит, молекулярные силовые поля. Такие молекулы называют полярными, или диполями, а количественную характеристику полярности определяют электрическим моментом диполя, выражаемым произведением расстояния l между электрическими центрами тяжести положительных и отрицательных зарядов молекулы на заряд e в абсолютных электростатических единицах. Для воды дипольный момент очень высокий: p = 6,13·10-29 Кл·м. Полярностью молекул моногидроля и объясняется образование дигидроля и тригидроля.

Вместе с тем, так как собственные скорости молекул возрастают с повышением температуры, этим можно объяснить постепенный распад тригидроля в дигидроль и далее в моногидроль соответственно при таянии льда, нагревании и кипении воды.

Другая гипотеза строения воды, разрабатывавшаяся в XX веке (модели , Дж. Попла, и др.), основана на представлении, что лед, вода и водяной пар состоят из молекул H2O, объединенных в группы с помощью так называемых водородных связей (Дж. Бернал и Р. Фаулер, 1933г.). Эти связи возникают в результате взаимодействия атомов водорода одной молекулы с атомом кислорода соседней молекулы (с сильно электроотрицательным элементом).

Такая особенность водородного обмена в молекуле воды обусловливается тем, что, отдавая свой единственный электрон на образование ковалентной связи с кислородом, он остается в виде ядра, почти лишенного электронной оболочки. Поэтому атом водорода не испытывает отталкивания от электронной оболочки кислорода соседней молекулы воды, а, наоборот, притягивается ею, и может вступить с нею во взаимодействие. Согласно данной гипотезе, можно предположить, что силы, образующие водородную связь, являются чисто электростатическими.

Однако, согласно методу молекулярных орбиталей, водородная связь образуется за счет дисперсионных сил, ковалентной связи и электростатического взаимодействия. Таким образом, в результате взаимодействия атомов водорода с одной молекулы воды с отрицательными зарядами кислорода другой молекулы образуются четыре водородные связи для каждой молекулы воды. При этом молекулы, как правило, объединяются в группы — ассоциаты: каждая молекула оказывается окруженной четырьмя другими. Такая плотная упаковка молекул характерна для воды в замерзшем состоянии и приводит к открытой кристаллической структуре, принадлежащей к гексогональной симметрии.

При повышении температуры воды до 4°С упорядоченность расположения молекул по кристаллическому типу с характерной структурой для льда до некоторой степени сохраняется. Имеющиеся в этой структуре отмеченные выше пустоты заполняются освободившимися молекулами воды. Вследствие этого плотность жидкости увеличивается до максимальной при температуре 3,98°С. Дальнейший рост температуры приводит к искажению и разрыву водородных связей, а, следовательно, и разрушению групп молекул, вплоть до отдельных молекул, что характерно для пара.

Если бы вода подчинялась общим правилам, она должна была замерзать при температуре порядка -100оС и закипать при температуре около +10оС.

Фазовые переходы воды

Фазовые переходы первого рода протекают с изменением агрегатного состояния вещества, а остальные его свойства остаются неизменными. Например: плавление – затвердевание, испарение-конденсация, растворение-кристаллизация. При переходах второго рода плотность вещества остается неизменной, а другие его свойства могут резко меняться.

При фазовом переходе второго рода происходит перестройка структуры вещества, которая сопровождается изменением свойств фазовые переходы второго рода протекают без изменения агрегатного состояния вещества и представляют собой структурную перестройку. Фазовый переход второго рода всегда предшествует фазовому переходу первого рода: сначала происходит структурная перестройка в системе, а затем уже начинается изменение в системе агрегатного состояния вещества.

Анионы кислот: хлорной, серной, ортофосфорной, фтористоводородной не вызывают существенного искажения структуры воды. Катионы лития, натрия разрушают структуру воды в интервале температур от 10 до 50 градусов.

Биологическая активность

Свободная вода не связана с молекулами. Лепешкин одним из первых выдвинул утверждение, что протоплазма является коацерватом. Он также предложил теорию строения живого вещества, согласно которой оно представляет собой комплексы белков и липидов, чувствительные к внешним воздействиям.

Свой вклад в теорию связанной воды внес Росс Гортнер более четверти века возглавлявший кафедру биохимии в Миннесотском университете. Одним из критериев отличающих связанную воду от обычной, по Гортнеру, является ее сниженная растворяющая способность.

Так в чем же заключаются загадочные, необычные свойства привычной всем жидкой воды?

Прежде всего, в том, что практически все свойства воды аномальны, а многие из них не подчиняются логике тех законов физики, которые управляют другими веществами. Если бы вода при испарении оставалась в виде Н6О3, Н8О4 или Н12О6, то водяной пар был бы намного тяжелее воздуха, в котором доминируют молекулы азота и кислорода.

В этом случае поверхность всей Земли была бы покрыта вечным слоем тумана. Представить себе жизнь на такой планете практически невозможно. Людям крупно повезло: кластеры воды при испарении распадаются, и вода превращается практически в простой газ с химической формулой Н2О.

Плотность газообразной воды меньше плотности воздуха, и поэтому вода способна насыщать своими молекулами земную атмосферу, создавая комфортные для всех живых организмов погодные условия.

Список литературы

1. Маломуж фазовый переход в воде, как важнейший фактор провоцирования денатурации белков у теплокровных организмов. Физика живого. 2010 . т.18 №2 с.16-22.

2. Самойлов водных растворов электролитов и гидратация ионов. М. Изд. АН СССР 1957 г.

3. Надмолекулярные комплексы воды. Физика живого. 2010 т. 18 №2 с.123 – 133

4. Теленкова условий хранения воды на ее структурные свойства. Конкурс молодых ученых. Сборник материалов. Смоленск. Универсум. 2008.с. 174-179.

6. Зенин информационных представлений о структурном состоянии воды. ЭКВА-ТЭК-2006, 7-ой Межд. Конгресс ч. 2.М.

Вода важна для жизни и его процесс, потому что он является основным компонентом большинства организмов на Земле. Многие организмы состоят из 95% воды; почти все остальные состоят из половины воды. Кроме того, две трети планеты покрыты водой.

Вода обладает множеством уникальных свойств. Это единственное вещество, которое находится в жидкой форме при температуре, обычно встречающейся на планете Земля. Кроме того, это отличный растворитель, а это значит, что многие вещества могут растворяться в нем. Это позволяет воде транспортировать питательные вещества к живым клеткам, а также помогает избавиться от их отходов..

Вода также регулирует деятельность в жидкостях, тканях, клетках, лимфе, крови и железах человека.

Для живых существ необходимо пить воду, чтобы остаться в живых. Взрослый человек содержит около 42 литров воды. С потерей всего 2,7 литра человек может страдать от симптомов обезвоживания. Эти симптомы включают головокружение, слабость, головные боли, усталость и нервозность. В крайних случаях обезвоживание может вызвать смерть.

Вода циркулирует естественным образом на поверхности Земли, поскольку она циркулирует по всему человеческому телу; транспортирует, растворяет, пополняет питательные и органические вещества, удаляя ненужные материалы.

В заключение, вода играет очень важную роль для жизни, а также имеет много функций в химии, биохимии и биологии благодаря своим разнообразным свойствам. Его физические свойства относятся к его тепловым свойствам и химическим свойствам, поскольку он взаимодействует с другими веществами..

Может быть, вы заинтересованы в состоянии воды: твердые, жидкие и газовые.

Свойства воды, важные для биологии человека

1- Вода как растворитель

Вода является отличным растворителем. Это означает, что многие различные материалы могут быть растворены в нем для образования растворов. Вода - это растворитель, который несет много незаменимых молекул и других частиц по всему телу. Это включает в себя питательные вещества и продукты жизнедеятельности, вырабатываемые в процессе обмена веществ организма.

2- В потоке движения молекул воды через биологические мембраны

Некоторые частицы и молекулы, такие как ионы, должны иметь возможность перемещаться вокруг биологических организмов, таких как ткани и мембраны. Один из способов, которым это происходит, заключается в решениях. Примеры этого включают транспортировку кислорода в крови вокруг сосудистой системы..

Движения растворов в четко определенных каналах, таких как сосуды и лимфатическая система, легко объяснить по сравнению с движениями жидкостей по трубопроводам..

3- Вода во многих химических реакциях

Химические реакции происходят только тогда, когда реагенты вступают в контакт с самими собой, иногда через промежуточные стадии с участием катализаторов..

Растворы обычно являются хорошими переносчиками для химических реакций, поскольку растворитель, в данном случае вода, заключает в капсулы растворенные вещества, которые могут быть потенциальными реагентами, если есть какая-либо возможность их реакции друг с другом. Когда два или более реагентов находятся в одном и том же растворе, они могут столкнуться и вызвать реакцию.

Возможность этого зависит от многих факторов, включая концентрацию растворенных веществ, температуру раствора и наличие катализатора для реакции..

Молекулы воды также участвуют в реакциях разложения, когда определенные молекулы делятся на более мелкие части. Примеры этого включают обработку углеводов и белков во время процесса пищеварения.

Вода также происходит в некоторых химических реакциях, которые происходят в организме. В этих реакциях небольшие органические соединения собираются вместе, образуя более крупные и более сложные молекулы, необходимые организму для выполнения определенных функций, таких как образование нуклеиновых кислот и гормонов..

4- Роль воды как смазки

Смазка уменьшает трение между движущимися поверхностями. Вода, включая растворы, в которых вода является растворителем, играет важную роль в смазочных функциях. Это важно во многих частях тела, таких как:

В грудной и брюшной полостях. В этой области внутренние органы, такие как сердце, легкие и пищеварительная система, расположены рядом и скользят друг с другом при движении тела..
В суставах. В этой области такие структуры, как кости, связки и сухожилия, должны свободно перемещаться. Эти части относительно близко друг к другу и нуждаются в чем-то, что предотвращает трение, возникающее между различными конструкциями и поверхностями..

5- Тепловые свойства воды способствуют жизни

Вода имеет определенную точку нагрева. Удельная теплоемкость вещества - это количество тепла на единицу массы, необходимое для повышения температуры вещества на один градус Цельсия..

По сравнению с другими растворителями, для повышения температуры воды требуется больше энергии. Это происходит потому, что водород удерживает молекулы воды вместе. Тепловые свойства воды, которые влияют на биологию животных и человека, включают:

По сравнению с другими материалами вода может поглощать или избавляться от относительно большого количества тепловой энергии при минимальной регулировке собственной температуры..

Большое количество человеческого тела состоит из воды. Следовательно, эта способность помогает организму справляться с колебаниями температуры окружающей среды. Кроме того, это помогает поддерживать организм в комфортном и безопасном для человека диапазоне температур..

Кроме того, по сравнению с другими материалами воде также требуется относительно большое количество тепловой энергии для испарения..

Это означает, что испарение пота на коже является очень эффективным механизмом для охлаждения тела; удаляет большое количество тепла тела при испарении пота.

Вспомните, какие химические элементы относят к биогенам. Каково соотношение этих элементов в биосистемах? В чем значение основных элементов-биогенов? Какие функции выполняют в клетке вода и минеральные соли?

Клетки весьма разнообразны, однако все они имеют сходный химический состав. Химические элементы, постоянно встречающиеся в клетках, называются биогенами. Они образуют молекулы неорганических и органических веществ клетки. К неорганическим относят воду и минеральные вещества. Основную массу органических веществ составляют липиды, углеводы, белки и нуклеиновые кислоты.

Химический состав клетки. Все элементы-биогены в зависимости от их содержания в клетках можно разделить на три группы: макроэлементы, микроэлементы и ультрамикроэлементы. Макроэлементы составляют основу всех органических веществ клетки, а также входят в состав воды. Содержание микро- и ультрамикроэлементов значительно меньше, но жизнедеятельность клетки невозможна без них. Содержание и функции некоторых, наиболее значимых химических элементов представлены в таблице 1.

Минеральные вещества. Эти вещества присутствуют в клетках в виде ионов и твердых нерастворимых соединений. Содержание их в среднем составляет 1-1,5% от массы клетки. Функции минеральных веществ очень разнообразны: они создают кислую или щелочную реакции среды, входят в состав белков, активизируют деятельность многих ферментов, являются компонентами гормонов, участвуют в свертывании крови и окислительно-восстановительных процессах в клетке, обеспечивают прочность костей и проведение нервных импульсов и др. При нехватке минеральных веществ могут нарушаться процессы жизнедеятельности клетки и всего организма (табл. 1).

Таблица 1

Содержание некоторых химических элементов в клетке (в % на сухую массу)

Основные элементы-биогены, входят в состав всех органических веществ клетки: белков, углеводов, липидов, нуклеиновых кислот. Обеспечивают образование всех клеточных структур.

Является компонентом белков, ферментов.

Придает прочность оболочке растений, костям и зубам животных, участвует в свертывании крови Обеспечивают проведение нервных импульсов, активизируют деятельность ферментов, процесс фотосинтеза, рост растений, поддерживают осмотическое давление в клетке, стимулируют синтез гормонов.

Компонент молекулы хлорофилла, содержится в костях и зубах, активизирует синтез ДНК, энергетический обмен в клетке.

Компонент желудочного сока (соляной кислоты), активизирует деятельность ферментов желудка.

Активизирует работу ферментов

Активаторы ферментов и гормонов. Влияют на процессы кроветворения, фотосинтеза, обмена веществ.

При их недостатке в организме могут нарушаться процессы жизнедеятельности

Селен (Se), серебро (Ag),

золото (Au), ртуть (Hg),

Воздействуют на нервные клетки, активизируют обменные процессы в организме.

Рис. 16. Строение молекулы воды. Водородные связи между пятью молекулами воды - ассоциатами

Вода. Из неорганических веществ в клетке наибольшее значение имеет вода. Жизнь на нашей планете возникла в воде, что и обусловило ее исключительную роль. Содержание воды в клетках в среднем составляет 70-80% от их массы. Значимость воды связана с ее уникальными свойствами: полярностью молекулы, способностью образовывать водородные связи, большим поверхностным натяжением, аномально высокими температурами плавления и кипения.

Все эти свойства воды определяются строением ее молекулы (рис. 16). Она имеет вид диполя и способна образовывать водородные связи, благодаря чему молекулы воды объединяются в ассоциаты. Этим объясняется тот факт, что при обычных условиях вода, имея незначительную молекулярную массу - жидкость, а не газ, как водородные соединения других неметаллов - азота, углерода, серы, хлора, фосфора. Большинство веществ при замерзании сжимаются и их плотность увеличивается. Вода же имеет наибольшую плотность при температуре +4°С. При охлаждении до 0°С расстояние между молекулами воды слегка увеличивается за счет водородных связей, а плотность понижается.

В результате лед оказывается легче воды и плавает на ее поверхности (рис. 17). Следовательно, одно и то же количество воды занимает в твердом состоянии больший объем, чем в жидком. Именно поэтому, кристаллизуясь в замкнутых сосудах или живых клетках, вода может разорвать их стенки, разрушить тонкие клеточные структуры. С другой стороны, образование льда на поверхности водоемов предотвращает замерзание его обитателей.

Рис. 17. Твердое состояние воды: 1 - лед легче жидкой воды; 2 - кристаллы льда

Участие в терморегуляции организмов - важнейшая биологическая функция воды. Благодаря высокой теплопроводности тепло быстро и равномерно распределяется по всему объему живых клеток, не давая перегреваться в отдельных точках организма. При испарении воды, т.е. переходе ее из жидкого в газообразное состояние, происходит охлаждение поверхности, с которой она испаряется.

Вода служит также универсальным полярным растворителем в клетке. По растворимости в воде вещества делят на гидрофильные - растворимые в воде, и гидрофобные - нерастворимые в воде.

В клетке различают воду свободную (90%) и связанную (около 10%). Свободная вода составляет внутреннюю среду клетки, где протекают все химические реакции. Она является участником и катализатором этих процессов. Свободная вода определяет тургор клетки и тканей - напряженное состояние плазматической мембраны, создаваемое давлением внутриклеточной жидкости, которая состоит из воды и растворенных в ней веществ. Связанная вода входит в состав макромолекул и клеточных органоидов. Она никогда не теряется живой клеткой.

Биогены, макроэлементы, микроэлементы, ультрамикроэлементы; вода: свободная и связанная; вещества: гидрофильные и гидрофобные.

1. Какие элементы составляют основу химических веществ клетки?

2. Почему наиболее распространенные в земной коре элементы, кроме кислорода, в составе тел организмов представлены незначительно?

Химический состав клетки

Содержание в клетке, %

Отдельные группы клеток специализировались на синтезе некоторых неорганических веществ. Так, клетки слизистой оболочки желудка образуют соляную кислоту, клетки слюнных желез синтезируют вещества с щелочными свойствами, а в клетках многих животных вырабатывается аммиак и другие азотистые соединения.

Введение
Организм человека почти на 70% состоит из воды. Вода — прежде всего растворитель, в среде которого протекают все элементарные акты жизнедеятельности. К тому же вода — продукт и субстрат энергетического метаболизма в живой клетке. Образно говоря, вода — это арена, на которой разыгрывается действие жизни и участник основных биохимических превращений.

Известно что вода присутствует во всех частях нашего организма, хотя например в коре мозга её 85%, в коже 72%, в зубной эмали всего лишь 3%. Это свидетельствует о том, что в наиболее интенсивно работающих органах содержится большее число воды.

Некоторая часть воды в организме может более или менее прочно связываться с растворёнными в ней веществами и с поверхностью биополимерных макромолекул с помощью как водородных связей, так и сил ион-дипольного взаимодействия. Это может приводить к заметному изменению конфигурации, эффективных размеров и весов тех или иных частиц, участвующих в реакции, и в некоторых случаях к существенной модификации их свойств. Например, оказывается, что натриевые каналы нервных клеток, имеющие диаметр около 0,5 нм, практически недоступны для прохождения по ним ионов калия, хотя диаметр самого иона K+ равен 0,26 нм. В действительности ион K+ гидратирован и, следовательно, для расчёта его эффективных размеров к диаметру K+ следует прибавить диаметр молекулы воды 0,28 нм. В итоге комплексный ион [K· H2O]+ диаметром почти 0,6 нм сквозь натриевый канал пройти не может, тогда как гидратированный ион [Na· H2O]+ диаметром около 0,47 нм свободно диффундирует через этот канал.
Другим примером изменения размеров биологического субстрата может быть молекула ДНК. В частности известно, что на каждый нуклеотид макромолекулы приходится около 50 молекул воды, связанных с ДНК. В общей сложности водная плёнка ДНК увеличивает эффективный диаметр цилиндрической макромолекулы ДНК с 2 нм в безводном состоянии до 2,9 нм в водном растворе, что чрезвычайно важно, например, при считывании с неё информации.

Строение воды

Вода — уникальное вещество и все её аномальные свойства: высокая температура кипения, значительная растворяющая и диссоциирующая способность, малая теплопроводность, высокая теплота испарения и другие обусловлены строением её молекулы и пространственной структурой.

Биологическое значение воды

Вода как растворитель.

Вода — превосходный растворитель для полярных веществ. К ним относятся ионные соединения, такие как соли, у которых заряженные частицы (ионы) диссоцииируют в воде, когда вещество растворяется, а также некоторые неионные соединения, например сахара и простые спирты, в молекуле которых присутствуют заряженные (полярные) группы (-OH).
Результаты многочисленных исследований строения растворов электролитов свидетельствуют, что при гидратации ионов в водных растворах основную роль играет ближняя гидратация — взаимодействие ионов с ближайшими к ним молекулами воды. Большой интерес представляет выяснение индивидуальных характеристик ближней гидратации различных ионов, как степени связывания молекул воды в гидратных оболочках, так и степени искажения в этих оболочках тетраэдрической льдоподобной структуры чистой воды — связи в молекуле изменяются на неполный угол. Величина угла зависит от иона.

Когда вещество растворяется, его молекулы или ионы получают возможность двигаться более свободно и, соответственно, его реакционная способность возрастает. По этой причине в клетке большая часть химических реакций протекает в водных растворах. Неполярные вещества, например липиды, не смешиваются с водой и потому могут разделять водные растворы на отдельные компартаменты, подобно тому, как их разделяют мембраны. Неполярные части молекул отталкиваются водой и в её присутствии притягиваются друг к другу, как это бывает, например, когда капельки масла сливаются в более крупные капли; иначе говоря, неполярные молекулы гидрофобны. Подобные гидрофобные взаимодействия играют важную роль в обеспечении стабильности мембран, а также многих белковых молекул, нуклеиновых кислот и других субклеточных структур.
Присущие воде свойства растворителя означают также, что вода служит средой для транспорта различных веществ. Эту роль она выполняет в крови, в лимфатической и экскреторных системах, в пищеварительном тракте и во флоэме и ксилеме растений.

Большая теплоёмкость.

Удельной теплоёмкостью воды называют количество теплоты в джоулях, которое необходимо, чтобы поднять температуру 1 кг воды на 1° C. Вода обладает большой теплоёмкостью (4,184 Дж/г). Это значит, что существенное увеличение тепловой энергии вызывает лишь сравнительно небольшое повышение её температуры. Объясняется такое явление тем, что значительная часть этой энергии расходуется на разрыв водородных связей, ограничивающих подвижность молекул воды.
Большая теплоёмкость воды сводит к минимуму происходящие в ней температурные изменения. Благодаря этому биохимические процессы протекают в меньшем интервале температур, с более постоянной скоростью и опасность нарушения этих процессов от резких отклонений температуры грозит им не столь сильно. Вода служит для многих клеток и организмов средой обитания, для которой характерно довольно значительное постоянство условий.

Большая теплота испарения.

Скрытая теплота испарения есть мера количества тепловой энергии, которую необходимо сообщить жидкости для её перехода в пар, то есть для преодоления сил молекулярного сцепления в жидкости. Испарение воды требует довольно значительных количеств энергии (2494 Дж/г). Это объясняется существованием водородных связей между молекулами воды. Именно в силу этого температура кипения воды — вещества со столь малыми молекулами — необычно высока.
Энергия, необходимая молекулам воды для испарения, черпается из их окружения. Таким образом, испарение сопровождается охлаждением. Это явление используется у животных при потоотделении, при тепловой одышке у млекопитающих или у некоторых рептилий (например, у крокодилов), которые на солнцепёке сидят с открытым ртом; возможно, оно играет заметную роль и в охлаждении транспирирующих листьев.

Большая теплота плавления.

Скрытая теплота плавления есть мера тепловой энергии, необходимой для расплавления твёрдого вещества (льда). Воде для плавления (таяния) необходимо сравнительно большое количество энергии. Справедливо и обратное: при замерзании вода должна отдать большое количество тепловой энергии. Это уменьшает вероятность замерзания содержимого клеток и окружающей их жидкости. Кристаллы льда особенно губительны для живого, когда они образуются внутри клеток.
Плотность и поведение воды вблизи точки замерзания. Плотность воды (максимальна при +4° С) от +4 до 0° С понижается, поэтому лёд легче воды и в воде не тонет. Вода — единственное вещество, обладающее в жидком состоянии большей плотностью, чем в твёрдом, так как структура льда более рыхлая, чем структура жидкой воды.
Поскольку лёд плавает в воде, он образуется при замерзании сначала на её поверхности и лишь под конец в придонных слоях. Если бы замерзание прудов шло в обратном порядке, снизу вверх, то в областях с умеренным или холодным климатом жизнь в пресноводных водоёмах вообще не могла бы существовать. То обстоятельство, что слои воды, температура которых упала ниже 4° С, поднимаются вверх, обусловливает перемешивание воды в больших водоёмах. Вместе с водой циркулируют и находящиеся в ней питательные вещества, благодаря чему водоёмы заселяются живыми организмами на большую глубину.
После проведения ряда экспериментов было установлено, что связанная вода при температуре ниже точки замерзания не переходит в кристаллическую решётку льда. Это энергетически невыгодно, так как вода достаточно прочно связана с гидрофильными участками растворённых молекул. Это находит применение в криомедицине.

Большое поверхностное натяжение и когезия.

Когезия — это сцепление молекул физического тела друг с другом под действием сил притяжения. На поверхности жидкости существует поверхностное натяжение — результат действующих между молекулами сил когезии, направленных внутрь. Благодаря поверхностному натяжению жидкость стремится принять такую форму, чтобы площадь её поверхности была минимальной (в идеале — форму шара). Из всех жидкостей самое большое поверхностное натяжение у воды (7,6 · 10-4 Н/м). Значительная когезия, характерная для молекул воды, играет важную роль в живых клетках, а также при движении воды по сосудам ксилемы в растениях. Многие мелкие организмы извлекают для себя пользу из поверхностного натяжения: оно позволяет им удерживаться на воде или скользить по её поверхности.

Вода как реагент.

Биологическое значение воды определяется и тем, что она представляет собой один из необходимых метаболитов, то есть участвует в метаболических реакциях. Вода используется, например, в качестве источника водорода в процессе фотосинтеза, а также участвует в реакциях гидролиза.

Особенности талой воды

Уже небольшое нагревание (до 50-60° С) приводит к денатурации белков и прекращает функционирование живых систем. Между тем охлаждение до полного замерзания и даже до абсолютного нуля не приводит к денатурации и не нарушает конфигурацию системы биомолекул, так что жизненная функция после оттаивания сохраняется. Это положение очень важно для консервирования органов и тканей предназначенных для пересадки. Как указывалось выше, вода в твёрдом состоянии имеет другую упорядоченность молекул, чем в жидком и после замерзания и оттаивания приобретает несколько иные биологические свойства, что послужило причиной применения талой воды с лечебной целью. После оттаивания вода имеет более упорядоченную структуру, с зародышами клатратов льда что позволяет ей взаимодействовать с биологическими компонентами и растворёнными веществами, например с другой скоростью. При употреблении талой воды в организм попадают мелкие центры льдоподобной структуры, которые в дальнейшем могут разрастись и перевести воду во льдоподобное состояние и тем самым произвести оздоравливающее действие.

Информационная роль воды

Как уже говорилось, все вещества при растворении в воде образуют гидратные оболочки и поэтому каждой частице растворённого вещества соответствует конкретная структура гидратной оболочки. Встряхивание такого раствора приводит к схлопыванию микропузырьков с диссоциацией молекул воды и образованию протонов, стабилизирующих такую воду, которая приобретает излучательные свойства и свойства памяти, присущие растворённому веществу. При дальнейшем разведении этого раствора и встряхивании образуются всё более длинные цепи — спирали и в 12-сотенном разведении уже нет самого вещества, но сохраняется память о нём. Введение этой воды в организм передаёт эту информацию в структурированные компоненты воды биологических жидкостей, которая передаётся структурным компонентам клеток. Таким образом, гомеопатический препарат действует прежде всего информационно. Добавление спирта в процессе приготовления гомеопатического средства удлиняет устойчивость во времени структурированной воды.
Не исключено, что спиралеобразные цепи структурированной воды являются возможными компонентами переноса информации из биологически активных точек (точек акупунктуры) на структурные компоненты клеток определённых органов.

Читайте также: