Біологічна роль води. Структура води в клітинах

Міністерство освіти і науки  України

Національний технічний університет  України

«Київський політехнічний інститут»

Факультет біотехнології і біотехніки

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат

з дисципліни «Біофізика»

на тему:

 «Біологічна роль  води. Структура води в клітинах »

 

 

 

 

 

 

 

                                                                                     

 Виконала:

                                                                                                           Студентка групи БТ – 92

                                                                                                          Сторчай Д. М.

 

                                                                                                           Перевірила:

                                                                                                            Щурська К. О.

 

 

 

 

 

 

 

Київ – 2010

 

Зміст

 

Вступ ………………………………………………………………...……   …3

1. Розповсюдження води на планеті Земля………   ………………...……4

2. Ізотопний склад води………………………………  …  …………………..5

3. Конструкція молекули води……………………… …   …………………..6

4. Фізичні властивості води, їх аномальність………  …  …………………...8

5. Структура і перебудова структури води…………    …………………….15

6. Структура води ……………………………… …...........................................18

7. Біологічна роль води……………………………………………………….21

8. Яка вода потрібна живим організмам?..................... .....................................27

9. Забруднюючі агенти у воді………………………………………………...29

Висновок………………………………………………………………………34

Список використаної літератури………………… ……………………….35

 

Вступ

 

«У тебе немає ні смаку, ні кольору, ні запаху, тебе неможливо  описати… Неможна сказати, що ти необхідна  для життя, ти – саме життя… Ти найбільше  багатство в світі.»

Антуан де Сент-Екзюпері.

 

Вода — одна з найбільш досліджених і вельми загадкових речовин. Володіючи унікальними властивостями, вода грає першочергову роль у всіх процесах життєдіяльності. Однак її структура в клітинах і роль в різноманітних явищах на молекулярному рівні вивчена недостатньо.

Роль води в цілому організмі вельми різноманітна. Так як життя зародилось у водному середовищі, то це середовище і виявилось замкнутим у клітинах, а у тварин – ще й у вигляді целомічної рідини (кров, лімфа). Всі відомі на Землі форми життя не можуть існувати без води. При зниження вмісту води в клітинах і тканинах до критичного рівня (наприклад, у спорах, у насінні при їх повному дозріванні) живі структури переходять в стан анабіозу.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Розповсюдження води на планеті Земля

Майже з поверхні нашої планети зайнято океанами і морями. Твердою водою - снігом і льодом - покрито 20% суші. Із загальної кількості води на Землі рівного 1 млрд. 386 млн. кубічних кілометрів, 1 млрд. 338 млн. кубічних кілометрів доводиться на частку солоних вод Світового океану, і лише 35 млн. кубічних кілометрів доводиться на частку прісних вод. Всієї кількості океанічної води вистачило б на те, щоб покрити нею земну кулю шаром більш 2,5 кілометрів. На кожного жителя Землі приблизно доводиться 0,33 кубічних кілометрів морської води і 0,008 кубічних кілометрів прісної води. Але трудність в тому, що переважна частина прісної води на Землі знаходиться в такому стані, який робить її труднодоступною для людини. Майже 70% прісних вод укладене в льодовикових покривах полярних країн і в гірських льодовиках, 30% - у водоносних шарах під землею, а в руслах всіх річок містяться одночасно всього лише 0,006% прісних вод.

Молекули води знайдені в міжзоряному  просторі. Вода входить до складу комет, більшості планет сонячної системи  і їх супутників[2].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Ізотопний склад води

Атоми водню і кисню, створюючі  воду, або окисел водню, можуть мати різні масові числа і відрізнятися один від одного своїми фізико-хімічними властивостями, але при цьому вони мають однаковий електричний заряд атомних ядер і тому займають в періодичній системі елементів одне і те ж місце. Такі різновиди атомів одного і того ж хімічного елемента називаються ізотопами. Відомо п'ять воднів і п'ять киснів.

Правда, по два з них (4Н, 5Н, 140 і 150) радіоактивні і дуже короткоживучі. Наприклад, тривалість існування водню -4—4*10-11 сек. Найбільш широко відомі наступні ізотопи водню: протій 1Н( з відносною атомною масою 1), дейтерій 2Н, або Д ( з відносною атомною масою 2) і тритій ЗН, або Т ( з відносною атомною масою 3) найважчий, але слаборадіоактивний водень ( його період напіврозпаду 12,3 роки), і ізотопи кисню: 16, 17 і 18. Ці шість ізотопів можуть утворювати 18 ізотопічних різновидів води: 1Н2160; 1 НЕ) 160; Б2160 ; 1НТ160; БТІбО; Т2016; 1Н2170; 1НБ170; Б2170; 1НТ170; БТ170; Т2170; 1Н2180; 1НБ180; Б2180; 1НТ180; БТ180; Т2180.

На Землі на 6800 атомів протію доводиться один атом дейтерію, а в між зірковому просторі один атом дейтерію доводиться вже на 200 атомів протію[3].

 

3. Конструкція молекули води

Молекула води складається з двох атомів водню (Н) і одного атома кисню (О). Все різноманіття властивостей води і незвичність їх прояву в кінцевому рахунку визначаються фізичною природою цих атомів і способом їх об'єднання в молекулу. В окремій молекулі води ядра водню і кисню розташовані так щодо один одного, що утворюють як би рівнобедрений трикутник з порівняно крупним ядром кисню на вершині і двома дрібними ядрами водню у підстави. В молекулі води є чотири полюси зарядів: два негативних за рахунок надлишку електронної густини у кисневих пар електронів і два позитивних - унаслідок недоліку електронної густини у ядер водню - протонів. Така асиметричність розподілу електричних зарядів води володіє яскраво вираженими полярними властивостями; вона є диполем з високим дипольним моментом -1,87 дебай [5].

Завдяки цьому молекули води прагнуть нейтралізувати електричне поле. Під  впливом диполів води на поверхні занурених в неї речовин міжатомні  і міжмолекулярні сили слабшають  в 80 разів. Така висока дизоелектрична проникність зі всіх відомих речовин властива тільки воді. Цим пояснюється її здатність бути універсальним розчинником. Допомагає контактуючим з нею молекулам розкладатися на іони (наприклад солям кислот), сама вода проявляє велику стійкість. З 1 млрд. молекул води дисоційованними при звичайній температурі виявляються лише дві, при цьому протон не зберігається у вільному стані, а найімовірніше входить до складу іона гідроксонію. ( Гідроксоній (НЗО+) – це гідратований іон водню; існує у водних розчинах кислот) Вода хімічно не змінюється під діям більшості тих з'єднань які вона розчиняє, і не змінює їх. Це характеризує її інертним розчинником, що важливе для живих організмів на нашій планеті, оскільки необхідні їх тканинам живильні речовини поступають в водних розчинах в порівняльно стійкому вигляді. 

Як розчинник вода багатократно використовується, несучи в своїй структурі пам'ять про раніше розчинені в ній речовинах. Молекули в об'ємі води зближуються протилежними зарядами виникають міжмолекулярні водневі зв'язки між ядрами водню і неподіленими електронами кисню, насищаючи електронну недостатність водню однієї молекули води і фіксуючи його по відношенню до кисню іншої молекули. Тетраедрична спрямованість водневої хмари дозволяє утворити чотири водневі зв'язки для кожної водної молекули, яка завдяки цьому може асоціювати з чотирма сусідніми. В такій моделі кути між кожною парою ліній, що сполучають центр (атом Про) з вершинами рівні 109,5 3 .

Водневі зв'язки у декілька разів  слабкі за ковалентні зв'язки, об'єднуючі  атоми кисню і водню, мікро молекулярна структура води з великим кількістю порожнин дозволяє їй, розриваючи водневі зв'язки, приєднувати молекули або частини молекул інших речовин, сприяючи їх розчиненню.

Порівнюючи воду - гідрид кисню  з гідридами елементів, що входять  в одну з киснем підгрупу періодичної системи Д.І. Менделєєва, слідувало б чекати, що вода повинна кипіти при - 70 ^оС, а замерзати при - 90 ^оС. Але в звичайних умовах вода замерзає при 0⁰ С. Таке різке відхилення від встановленій закономірності якраз і пояснюється тим, що вода є асоційованою рідиною. Ассоційовність її позначається і на дуже високій теплоті паротворення. Так, для того, щоб випарувати 1 г води нагрітої до 100^о С, потрібне в шестеро більше тепла, ніж для нагріву такої ж кількості води від 0 до 80 ^оС. Завдяки цьому вода є щонайпотужнішим енергоносієм на нашій планеті. В порівнянні з іншими речовинами, вона здатна сприймати набагато більше тепла, істотно не нагріваючись. Вода виступає як би регулятором температури, згладжуючи завдяки своїй великій теплоємності різкі температурні коливання. В інтервалі від 0 до 37 ^оС теплоємність її падає і лише після 37 ^оС починає підвищуватися. Мінімум теплоємності води відповідає температурі 36-39^оС - нормальній температурі людського тіла. Завдяки цьому можливе життя теплокровних тварин, у тому числі і людини. 0 ^оС і закипає при 100 ^оС [6].

 

4. Фізичні властивості води, їх аномальність

Чиста вода є безбарвною без смаку запаху прозору рідину. Густина води під час переходу неї з твердого стани в рідке не зменшується, як майже у всіх інших речовин, а зростає.

Як добре відомо, вода прийнята за зразок міри - еталон для всіх інших  речовин. Здавалося б, за еталон для  фізичних констант слідувало б вибрати  таку речовину, яка поводиться самим  нормальним, звичайним чином. А вийшло якраз навпаки.

І перше, саме вражаюче, властивість  води полягає в тому, що вода належить до єдиної речовини на нашій планеті, яка в звичайних умовах температури  і тиску може знаходитися в  трьох фазах, або трьох агрегатних станах: в твердому (лід), рідкому  і газоподібному (невидимий оку пар).

 

Аномалія  густини

Всім відома аномалія густини. Вона двояка. По-перше, після танення льоду  густина збільшується, проходить через максимум при 4 ^оС і тільки потім зменшується з зростанням температури. В звичайних рідинах густина завжди зменшується з температурою. І це зрозуміло. Чим більше температура, тим більше теплова швидкість молекул, тим сильніше вони розштовхують один одного, приводячи до більшої рихлості речовини. Зрозуміло, і у воді підвищення температури збільшує теплову швидкість молекул, але чомусь це приводить в ній до пониження густини тільки при високих температурах. Друга аномалія густини полягає в тому, що густина води більше густина льоду (завдяки цьому лід плаває на поверхні води, вода в річках взимку не вимерзає до дна і т.д.). Звичайно ж при плавленні густина рідині опиняється менше ніж біля кристала. Це теж має простої фізичне пояснення. В кристалах молекули розташовані регулярно володіють просторовою періодичністю - ця властивість кристалів всіх речовин. Але у звичайних речовин молекули в кристалах, крім того, щільно упаковані. Після плавлення кристала регулярність в тому, що розташовує молекул зникає, і це можливо тільки при більш рихлій упаковці молекул, тобто плавлення звичайно супроводжується зменшенням густини речовини. Такого роду зменшення густини дуже мале: наприклад, при плавленні металів вона зменшується на 2 - 4%. А густина води перевищує густину льоду відразу на 10%! Тобто стрибок густини при плавленні льоду аномальний не тільки по знаку, але і по величині [4].

 

Переохолоджена  вода

Останнім часом багато уваги  уділяється вивченню властивостей переохолоджуваній воді, тобто що залишається в рідкому стані нижче за точку замерзання 0 С. (Переохолоджувати воду можна або в тонких капілярах, або - ще краще - в виді емульсії: маленьких крапельок в неполярному середовищі - масло"). Що ж відбувається з аномалією густини при переохолодженні води? Вона поводиться дивно. З одного боку, густина води сильно зменшується по мірі переохолодження (тобто перша аномалія посилюється), але, з другого боку вона наближається до густини льоду при пониженні температури (тобто друга аномалія слабшає) [2].

 

Аномалія  стисливості

Ще приклад аномалії води: незвичайна температурна поведінка її стисливості, тобто ступені зменшення об'єму при збільшенні тиску . Звичайно стисливість рідини росте з температурою: при високих температурах рідини більш рихлі (мають меншу густину) і їх легше стиснути. Вода знаходить таку нормальну поведінку тільки при високих температурах. При низьких же стисливість поводиться протилежним чином, в результаті чого в її температурній поведінці з'являється мінімум при 45 оС. На цих двох прикладах ми бачимо, що незвичайні властивості води характеризуються екстремальною поведінкою, тобто появою максимумів (як в густині) або мінімумів (як в стисливості) на кривих їх залежності від температури. Така екстремальна залежність означає, що в воді має місце протиборство двох процесів, кожний з яких обумовлює протилежну поведінку даної властивості. Один процес - цей звичайний тепловий рух, що посилюється із зростанням температури і що робить воду (як і будь-яку іншу рідину) більш раз впорядкованою; інший процес незвичайний, властивий тільки воді, за рахунок нього вода стає більш впорядкованою при низьких температурах. Різні властивості води по-різному чутливі до цих двох процесів, і тому положення екстремуму спостерігається для кожної властивості при своїй температурі [6].

 

Поверхневий натяг

Серед незвичайних властивостей води важко обійти увагою ще одне - її виключно високе поверхневе натягнення 0,073 Н/м (при 20 ^оС). З всіх рідин більш високе поверхневе натягнення має тільки ртуть. Воно виявляється в тому, що вода постійно прагне стягнути, скоротити свою поверхня, хоча вона завжди приймає форму місткості, в якій знаходиться в даний момент. Вода лише здається безформною, розтікаючись по будь-кому поверхні. Сила поверхневого натягнення примушує молекули її зовнішнього шаруючи зчіплюватися, створюючи пружну зовнішню плівку. Властивості плівки також визначаються замкнутими і розімкненими водневими зв'язками, асоцоатами різної структури і різного ступеня впорядкованості. Завдяки плівці деякі предмети, будучи важчим за воду, не занурюються в воду (наприклад обережно встановлена навзнаки сталева голка). Багато комах (водоміри ногохвостки і ін.) не тільки пересуваються по поверхні води, але злітають з неї і сідають, як на тверду опору. Більш того, живі істоти пристосувалися використовувати навіть внутрішню сторону водної поверхні. Личинки комарів повисають на ній за допомогою не змочуваних щетин, а маленькі равлики - прудовики і катушки - повзають по ній у пошуках здобичі.