Роль воды в живых организмах

Роль воды в живых организмах

В состав любого живого организма, помимо различных солей и органических веществ, обязательно входит вода. Она  является средой, в которой диспергированы важнейшие высокомолекулярные соединения, образующие коллоидные растворы, и протекает большинство реакций обмена. Вода сама принимает участие в обмене веществ, входя в качестве необходимого компонента во многие реакции синтеза. В качестве примера можно указать хотя бы на гидролитическое расщепление сложных углеводов, жиров и белков, требующее участия воды.

Вода является основной по количеству составной частью любого живого организма (табл. 6).

Высокое содержание воды свидетельствует  о том, что в процессе жизнедеятельности организма она играет важную роль. Вода входит в состав белковых коллоидов и принимает непосредственное участие в построении структур живых клеток и тканей. Кровь, лимфа, спинномозговая жидкость у высокоорганизованных организмов, соки растений состоят преимущественно из воды в свободном состоянии. В тканях животных и растений вода находится в связанном состоянии — она не вытекает при рассечении органа. Испарение воды поверхностью животных или растительных организмов регулирует их температуру при колебаниях температуры внешней среды.

Вода вызывает набухание  коллоидов, она связывается с  белком и другими органическими  соединениями, а также с ионами, входящими в состав клеток и тканей. Вместе с углекислым газом вода в процессе фотосинтеза вовлекается в образование органических веществ и, таким образом, служит материалом для создания живой материи на Земле.

Содержание воды в различных  организмах, их органах и тканях

Высшие животные очень  чувствительны к потере воды. Если в* процессе голодания животный организм может перенести почти полную потерю запасов жировых веществ, до 50% всех белковых веществ, то потеря более 10% воды вызывает тяжелые патологические изменения, а потеря 15—20% воды приводит к гибели.

Животные, лишенные воды, быстро погибают. Например, если собака может  прожить без пищи до 100 дней, то без  воды — менее 10. Человек без пищи может прожить больше месяца, без  воды — всего лишь несколько дней. Общая потребность человека в воде (включая воду в составе пищи) в зависимости от климатических условий составляет 3—6 л в сутки.

Не менее важно значение воды и в жизни растений. Содержание воды влияет на направленность действия ферментов, на интенсивность транспирации, фотосинтеза, дыхания, ростовых процессов и т. п. Количество воды в растении обусловливает скорость тех или иных биологических процессов. Так, интенсивность дыхания зерновых находится в прямой зависимости от содержания влаги в семенах. Опыт показывает, что вначале увеличение влажности повышает интенсивность процесса дыхания на сравнительно незначительную величину. Затем, начиная примерно с 14%, повышение влажности на 1% увеличивает интенсивность дыхания на 150%, а последующее ее увеличение повышает интенсивность дыхания на несколько сот процентов. Иными словами, чем выше содержание воды в4 зерне, тем интенсивнее процесс дыхания.

Интенсивность процесса обмена веществ у высших организмов зависит  от возраста организма: чем моложе организм, тем больше он содержит воды и тем интенсивнее его обмен веществ. Например, эмбрион человека ко второму месяцу развития содержит 97% воды, новорожденный ребенок — 74%, организм взрослого человека содержит 63—68% воды. Та же закономерность проявляется и в отношении отдельных тканей и органов животного организма; особенно богаты водой те органы, которые наиболее интенсивно функционируют. Так, сердце высших животных содержит 79% воды, а скелет — всего лишь 20—40%.

ВОДА И ЕЁ БИОЛОГИЧЕСКАЯ  РОЛЬ

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 лишь3%. 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.

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).

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.