Биология в лицее

Неорганические вещества клетки. Вода

Все имеющиеся в клетке соединения можно разбить на две группы: органические и неорганические.

Неорганические вещества — это химические вещества, которые не являются органическими, то есть они не содержат углерода (кроме карбидов, цианидов, карбонатов, оксидов углерода и некоторых других соединений, которые традиционно относят к неорганическим).

Вода (оксид водорода, Н₂O) — прозрачная жидкость, не имеющая цвета (в малом объёме) и запаха. В твёрдом состоянии называется льдом или снегом, а в газообразном — водяным паром. 71 % поверхности Земли покрыто водой (океаны, моря, озера, реки).

Среднее содержание воды в клетках составляет 80% от их общей массы. Однако, в зависимости от таксономической и тканевой принадлежности клеток, а также их возраста и состояния содержание воды может изменяться в широких пределах.

Вода — универсальная среда живой материи на клеточном уровне. В клетке вода находится в двух формах: связанная (5%) — формирует гидратные оболочки ионов и молекул, и свободная (95%) — участвует в транспорте веществ цитоплазмы.

165 лет назад Гумбольт и Гей-Люссак доказали, что 2 атома водорода и атом кислорода, соединяясь в молекулу, рождают воду.

Воде была дана волшебная власть стать соком жизни на Земле. (Леонардо да Винчи)

Уникальные свойства воды определяются структурой её молекулы

В молекуле воды один атом кислорода ковалентно связан с двумя атомами водорода. Положительные заряды сосредоточены у атомов водорода в силу электроотрицательности кислорода. Молекула представляет собой диполь. Молекула воды испытывает сильное электростатическое притяжение, образуя водородные связи с другими молекулами.

Молекула воды имеет угловую форму: атомы водорода по отношению к кислороду образуют угол, равный приблизительно 108°. 

В молекуле воды один атом кислорода ковалентно связан с двумя атомами водорода. Из-за большой разности электроотрицательностей атомов водорода и кислорода электроны всех атомов, составляющих молекулу воды, сильно смещены в сторону кислорода. Вследствие этого атом кислорода приобретает частичный отрицательный заряд. Поэтому молекула воды — диполь: та часть молекулы, где находится водород, заряжена положительно, а часть, где находится кислород, — отрицательно.

Физические и химические свойства воды во многом обусловлены наличием водородных связей между молекулами воды — диполями.

Свойства воды

В жидкой воде наряду с обычными молекулами Н₂О содержатся ассоциированные молекулы, т. е. соединенные в более сложные агрегаты (Н₂О)_x благодаря образованию водородных связей. С повышением температуры водородные связи разрываются, и полный разрыв наступает при переходе воды в пар.

Наличием водородных связей между молекулами воды объясняются аномалии ее физических свойств:

• высокая температура и удельная теплота плавления и кипения (по сравнению с соединениями водорода с похожим молекулярным весом);
• высокая теплоёмкость и низкая вязкость жидкой воды;
• аномальное тепловое расширение при замерзании (при нагревании от 0 до 4°C вода сжимается. Благодаря этому могут жить рыбы в замерзающих водоёмах когда температура падает ниже 4 °C, более холодная вода, как менее плотная, остаётся на поверхности и замерзает, а подо льдом сохраняется положительная температура);
• вода — почти универсальный растворитель. Это самый распространённый амфотерный полярный растворитель на Земле. В воде можно растворить большое число веществ, молекулы или ионы которых способны проявлять кислотные и (или) основные свойства.

Вода обладает теплоёмкостью, то есть способностью поглощать теплоту при минимальном изменении собственной температуры. Высокая теплоёмкость и теплопроводность воды обеспечивают регуляцию температуры организма, предохраняя клетку от резких колебаний температур.

Вода обладает большой теплотой испарения. Испарение сопровождается охлаждением, что обусловливает участие воды в терморегуляции организма.

Благодаря своей способности образовывать слабые химические связи с другими веществами вода — прекрасный растворитель гидрофильных веществ. В виде ионов происходит клеточный транспорт веществ. Все вещества по отношению к воде делятся на гидрофильные и гидрофобные.

Гидрофильные вещества (греч. hydor — вода и philia — любовь) — вещества, хорошо растворимые в воде.

Гидрофильностью (хорошей смачиваемостью водой) обладают вещества с ионными кристаллическими решетками (оксиды, гидроксиды, силикаты, сульфаты, фосфаты, глины и т. д.), вещества с полярными группами —ОН, —СООН, —NO₂ и др.

Гидрофобные вещества (греч. hydor — вода и phobos — боязнь, страх) — вещества, не растворимые или плохо растворимые в воде. 

Гидрофобностью (плохой смачиваемостью) обладает большинство органических веществ с углеводородными радикалами, металлы, полупроводники и т. д.

Понятия гидрофильности и гидрофобности относятся не только к телам и веществам, у которых они являются свойством поверхности, но и к отдельным молекулам, их группам, атомам, ионам.

Значение воды

Вода обеспечивает осмотическое поступление веществ в клетку, поддерживает тургор, изменяет плотность тканей.

Под действием некоторых ферментов-катализаторов она вступает в реакции гидролиза, то есть в реакции, при которых к свободным валентностям различных молекул присоединяются группы OH^- или H⁺ воды. В результате образуются новые вещества с новыми свойствами. Содержание воды в организме зависит от его возраста и метаболической активности.

Биологическая роль воды в организме

Влаголюбивые представители флоры ярко-зелёной окраски (осока, камыш, лапчатка гусиная, мать-и-мачеха, конский щавель, крапива, папоротник) предпочитают расти там, где грунтовые воды подходят близко к поверхности земли. Отыскать на местности водоносные жилы, чтобы не промахнуться с рытьём колодца, можно и с помощью других народных примет. К примеру, давно замечено, что вишни и яблони плохо растут там, где грунтовые воды подходят близко к поверхности земли. А вот ива, верба, ольха, берёза, напротив, чувствуют себя в таких местах чудесно.

Рыжие муравьи воду недолюбливают. В местах, где они устраивают свои муравейники, рыть колодец — дело почти безнадёжное: до воды не докопаешься.

О "живой" и "мёртвой" воде

В народных сказках часто встречаются сюжеты о «живой» и «мертвой» воде. Современная наука пришла к выводу, что аналоги этих сказочных веществ на самом деле существуют. Это так называемые «легкая» и «тяжелая» вода.

Тридцатые годы ХХ века были ознаменованы огромным прорывом в физике элементарных частиц. В 1932 году русский физик Дмитрий Дмитриевич Иваненко и немецкий физик Вернер Гейзенберг независимо друг от друга предложили протонно-нейтронную модель ядра, согласно которой ядро состоит из положительно заряженных протонов и не имеющих заряда нейтронов. Число протонов в ядре соответствует числу нейтронов и равно зарядовому числу ядра. Согласно этой теории изотопы — это разновидности атомов (и ядер) одного химического элемента с разным количеством нейтронов в ядре. В этом же 1932 году американским учёным Гарольдом Клейтоном Юри был открыт изотоп водорода дейтерий (D или ²H), а в 1934 году Эрнестом Резерфордом — тритий (T или ³H). 

Занимаясь дальнейшими исследованиями, Юри обнаружил, что изотопы водорода могут входить в состав молекул воды вместе с обычными молекулами. Так была открыта «тяжёлая вода». А в 1933 году Гилберт Льюис получил чистую тяжёловодородную воду. 

Таким образом, существуют три разновидности воды: обычная или лёгкая (¹H₂¹⁶O); дейтериевая или тяжелая (D₂O); тритиевая или сверхтяжелая (Т₂О). Основную массу природной воды — свыше 99% — составляет лёгкая вода. Одна молекула тяжёлой воды приходится на 3200 молекул лёгкой, а сверхтяжёлой воды во всей гидросфере одновременно насчитывается лишь около 20 кг. Однако чистой ¹H₂¹⁶O в естественных условиях не существует. Во всем мире такую воду получают в немногих специальных лабораториях, путем многократной очистки природной воды, или в результате синтеза.

Различается вода и по изотопному составу кислорода. Помимо кислорода ¹⁶O, в природе существуют еще два природных изотопа — ¹⁷O и ¹⁸O. В природных водах в среднем на каждые 10 тысяч атомов изотопа ¹⁶O приходится 4 атома изотопа ¹⁷O и 20 атомов изотопа ¹⁸O. По современным данным число изотопных разновидностей воды может достигать 135.

Тяжелая вода применяется в ядерных реакторах для торможения нейтронов. А вот использование её для поливки растений приводило к прекращению их роста. Ещё более неутешительными были результаты опытов на животных: получая тяжёлую воду в больших концентрациях, животные погибали, когда половина воды в их теле была дейтерирована. Однако некоторые микроорганизмы хорошо себя чувствуют в 70% растворе D₂O, а бактерии способны жить даже в чистой тяжёлой воде.

«Легкая вода», где дейтерий и тяжелый кислород отсутствуют или их содержание значительно снижено, напротив, обладают целым рядом полезных биологических свойств.

Экспериментально были получены результаты: мыши, получившие значительную дозу облучения, имели больший срок жизни, если они пили легкую воду. Кроме того, эксперименты показали, что «легкая вода» замедляет рост некоторых типов опухолей, стимулирует рост.

< Предыдущая страница "Химический состав клетки"

Следующая страница "Неорганические вещества клетки. Минеральные соли" >