Біологічна роль води. Структура води в клітинах

В електричному полі катіона всі  найближчі молекули води орієнтуються від’ємними полюсами всередину, а навколо аніона всередину напрямлені позитивні полюси молекул води (див. Рис. 2). Цей внутрішній, надійно зв’язаний з іоном шар молекул називають первинною, або ближньою, гідратацією (сольватацією). В процесі електрофорезу він рухається разом з іоном як одне ціле. Однак іон, зв’язуючи визначене число молекул води зі свого безпосереднього оточення, в результаті іон-дипольної взаємодії орієнтує також і далі розташовані диполі води. Цю гідратацію називають вторинною або дальньою.

Рис..2. Орієнтація молекул води навколо катіону і аніону. [4]

Воду, зв’язану з іонами також називають осмотично зв’язаною. Вона являється важливою складовою осмотичного тиску в клітинах рослин.

По мірі підвищення концентрації розчину (до 1,5 – 2 моль/л) вторинні гідратні оболонки іонів перекриваються і вода з  власною структурою перестає існувати: спостерігається перехід від структури чистої води до структури кристалогідрату. Чим більше іонів в розчині, тим більше порушена структура води і, саме тому, тим менше енергії необхідно для руйнування залишених водневих зв’язків і підвищення температури розчину.

7. Біологічна роль води

Вода в біологічних об’єктах виконує наступні основні функції:

1. Водне середовище об’єднує всі частини організму, починаючи з молекул у клітинах і закінчуючи тканинами і органами, в єдине ціле.

2. Вода – найважливіший розчинник і найважливіше середовище для біохімічних реакцій. Вона є прекрасним розчинником полярних речовин. До них відносяться іонні сполуки, такі як солі, що містять заряджені частинки (іони), і деякі неіонні сполуки, наприклад цукри, в молекулах яких присутні полярні групи (у цукрів це носій від’ємного заряду – гідроксильна група – ОН). Коли речовина розчиняється у воді, молекули води оточують іони та полярні групи, відділяючи іони або молекули одна від одної [5].

В розчині молекули та іони мають можливість рухатись більш вільно, так, що реакційна здатність сполуки зростає. Саме з цієї причини, більша частина хімічних реакцій в клітині протікає у водних розчинах. Неполярні сполуки, наприклад ліпіди, відштовхуються водою і в її присутності за звичай, притягуються одна до одної. Іншими словами, неполярні сполуки є гідрофобними. Подібні гідрофобні взаємодії відіграють важливу роль у формуванні мембран, а також у визначенні трьохвимірної структури багатьох білкових молекул, нуклеїнових кислот та інших клітинних компонентів.

Наявні властивості розчинника також означають, що вода слугує середовищем  для транспорту багатьох речовин. Цю роль вона виконує в крові, в лімфатичній  та екскреторній системах, в травному тракті, а також у флоемі та ксилемі у рослин.

3. Вода приймає участь у впорядкуванні  структур клітин. Вона входить  у склад молекул білків, визначаючи  їх конформацію. Виділення води  з білків висалюванням або  за допомогою спирту призводить  до їх коагуляції і випадіння  в осад. У підтриманні структур гідрофобних частин білкових молекул та ліпопротеїдів, можливо, є вагомою роль структурованої води.

4. Вода – метаболіт і безпосередній  компонент біохімічних процесів. Так, при фотосинтезі вода являється  донором електронів. В процесі  дихання, наприклад в циклі Кребса, вода приймає участь в окислювальних процесах. Вода необхідна для гідролізу і для багатьох синтетичних процесів.

5. Можливо, суттєву роль в  життєвих явищах, особливо в мембранних  процесах, відіграє відносно висока  протонна і електронна провідність структурованої води.

6. Вода – головний компонент  в транспортній системі вищих  рослин – в судинах ксилемі  та в ситовидних трубках флоеми, при переміщені рачовин по  симпласту та апопласту.

7. Вода – терморегуляційний  фактор. Вона захищає тканини  від різких коливань температури завдяки високій теплоємності і великій питомій теплоті пароутворення.

Наявність високої теплоємності означає  те, що суттєве збільшення теплової енергії викликає лише порівняно  незначне підвищення її температури. Таке явище пояснюється тим, що значна кількість енергії йде на розрив водневих зв’язків, що обмежують рухливість молекул води, тобто на подолання вищезгаданої «склеєності» її молекул.

Висока теплоємність води зводить до мінімуму чинні в ній температурні зміни. Завдяки цьому біохімічні процеси протікають в меншому інтервалі температур, с більш постійною швидкістю, а небезпека порушення цих процесів від різких відхилень температури погрожує їм не так сильно. Вода слугує для багатьох клітин і організмів середовищем проживання, що забезпечує їм доволі значну сталість умов.

8. Вода – добрий амортизатор  при механічних впливах на  організм.

9. Завдяки явищам осмосу і  тургору вода забезпечує пружний  стан клітин і тканин рослинних  організмів і від якого залежить  механізм роботи продихів.

  Подивимося на воду з екологічного погляду, аналізуючи і гідросферу, і саму речовину. Своєю рухливістю вода поступається лише повітрю, але розрив між ними дуже великий. Оскільки у вигляді пари вона опанувала лише найнижчі кілька кілометрів атмосфери, а в одному кубічному метрі повітря її вміст не перевищує 40-60 грамів (як правило, він набагато менший), то майже вся вода лишається у рідкому стані й має чималу густину. Наслідком є розташування води у западинах і під Землею, повна або часткова відсутність на більшій частині поверхні суходолу. Ще суттєвіше те, що один "водний басейн" може дуже відрізнятися від сусіднього за складом домішок, вміст яких часто робить воду непридатною для пиття чи життя у ній [4].

Лише океан завдяки інтенсивному обміну водами між різними його частинами більш-менш вирівнює свій склад, чим він схожий на атмосферу. Та й в океані вирівнювання неповне, тому, на відміну від всюди однакового повітря, водні організми далеко не завжди можуть переселятися з одного місця в інше, бо вода там за складом може бути непридатною для них.

Хоч вода і є необхідною для життя  як простих, так і складних організмів, все-таки це "важке" для освоєння середовище. Майже весь величезний об'єм океанів заповнений мороком  і холодом. Не дивно, що, перевищуючи за життєвим простором сухопутну "біоплівку" аж у 80 разів, океани можуть похвалитися всього одним процентом загальної кількості видів, які входять до складу біосфери.

Фахівці нараховують понад 20 характеристик, за якими воду з повним правом зараховують до аномальних рідин. Частина з них важлива для біосфери:

• особливості взаємодії молекул  Н2О між собою мало не на сто  градусів збільшують температури її плавлення і кипіння. Якби не ця обставина, весь океан існував би у вигляді  газу в атмосфері;

• теплота фазових переходів (плавлення льоду і випаровування води) дуже висока, що майже виключає миттєві чи дуже швидкі природні кліматичні катастрофи. Як правило, рослини і тварини встигають приготуватися до зими, а потім мають досить часу для звикання до теплого періоду;

• наявність аж двох атомів водню  у легенькій молекулі води є причиною її дуже високої питомої теплоємності. Відомо, що вона є чудовим "тепловим акумулятором", вирівнюючи і гальмуючи  швидкі зміни температури, на які  так здатна атмосфера. У поєднанні з найвищою серед поширених рідин теплопровідністю це сприяє ефективному перенесенню теплоти від зони екватора до вищих широт. Якби згадані два параметри води були суттєво меншими, у тропіках постійно панувала б температура 50-70 °С, зона полярних умов впритул наблизилася б до північних кордонів України, а швидкість вітрів на Землі збільшилася б у багато разів;

• вважають (хоч це й не доведено беззаперечно), що зменшення питомої  теплоємності води при її нагріванні від О °С аж до температури +37 °С (далі вона починає збільшуватися) є однією з причин "вибору" теплокровними тваринами саме цього інтервалу температур для внутрішнього середовища своїх тіл, де відбуваються основні біохімічні реакції;

• як відомо, "приємною" для живих  істот холодних зон є властивість прісної рідкої Н2О мати максимальну густину при +4 °С. Це майже виключає повне промерзання водойм навіть там, де середня річна температура набагато нижча від О °С;

• густина води помітно залежить як від її температури, так і від  кількості і складу домішок. Це дуже посилює конвективні потоки в її товщі. Для їх виникнення досить вже незначної відмінності у солоності чи температурі;

• на щастя, плинність води мало залежить від її температури, лишаючись малою  навіть у момент замерзання. Це не тільки спричинює швидкі конвективні потоки, а и суттєво зменшує енергетичні витрати на пересування у воді "швидкохідних" живих істот (деяких риб, тюленів тощо);

• висока пружність і мала стисливість  води пояснює високу швидкість звукових хвиль (вона вища, ніж у деяких металів). Не дивно, що саме ці хвилі є основним засобом "спілкування" водних істот, каналом припливу інформації. Наприклад, кити перегукуються між собою на відстані сотень кілометрів (щоправда, лише на глибині так званого звукового каналу);

• незабруднена твердими частинками вода є досить прозорою для того, щоб фото синтезуючі клітини працювали на глибинах 100 м, що є сприятливою обставиною для збільшення біоресурсів океану.

Та, мабуть, найсуттєвішими для живих  істот є такі дві незвичайні властивості  води:

• вона має рекордне серед поширених  рідин значення коефіцієнта поверхневого натягу, високі "капілярні здатності", розвиваючи великі сили при взаємодії  з твердими тілами (змочуванні чи незмочуванні). Діапазон наслідків цього надзвичайно широкий: від освоєння водомірками поверхні і чудової властивості води втискуватися у щілини й капіляри тим настирливіше, чим вони вужчі, аж до суперважливої для всього живого участі у керуванні мембранними біохімічними процесами;

• рекордним є для води і просторове розділення зарядів обох знаків у межах її молекул, і діелектрична стала (відомо, що вона дорівнює аж 81). Остання така висока, що вода без зайвих церемоній розчленовує на фрагменти (аж до окремих елементів, які існують у ній переважно у формі іонів, оточених ореолом з молекул води) більшість речовин. Хоч особливо вправно вода розриває на частини солі, але і з решти речовин теж примудряється дещо відірвати. Розчинна здатність води така висока, що вона ніколи на буває "чистою" у звичному для нас значенні цього слова. Окрім безлічі трикутних молекул з атома кисню і двох атомів водню (Н2О) вона завжди містить щось прихоплене з повітря (так, включення вуглекислого газу спричинює невелику кислотність навіть чистої дощової води), ґрунту або гірських порід [2].

Цілком слушною є назва "мінеральна вода" для тієї рідини, що струменить з частини джерел, бо вона містить різноманітні домішки.

Багато елементів входять і  до складу вод морів та океанів. У  табл. 22 наведено майже вичерпні дані про склад океанічної води (нагадаємо, що середня її солоність становить 0,35 %, тобто 35 кілограмів солей у кожній тонні води). Зазначено вміст на тонну води океанів 48 елементів, які присутні в ній у найбільшій кількості.

З морської води видобувають Н2О, СІ, Na, Mg, S, Са, К, С, Вг, В, Sr, Si, N, Li, Al, P, I, Ba, As, Se, Ті, V, Sn, Cs, Ga, у незначних кількостях — F, Cu, Zn, Mn, Pb, Ag, Ni, Co. Більшість елементів з останньої групи осідають на поверхні твердих решток (зуби та інші частини живих організмів), формуючи так звані конкреції. Це шаруваті округлі камінці різних розмірів, що густо встеляють дно океанів у багатьох місцях. Вже доведено, що вони містять у собі більше марганцю та кількох інших елементів, ніж усі родовища суші. Чималу ділянку дна в Тихому океані виділено для видобутку конкрецій і Україні. Ті, хто бажає, можуть взяти дозвіл уряду і розпочинати хоч зараз...

Таблиця 1. Елементний склад води океанів, маса на 1 т води [2]