Біологія. Комплексна підготовка до ЗНО і ДПА

Неорганічні сполуки в організмах

Роль води в організмі

Розгляд деяких особливостей внутрішньомолекулярної структури води важливий для розуміння її властивостей. За даними рентгеноструктурного аналізу, обидва атоми Гідрогену в молекулі води розміщені на однаковій відстані від атома Оксигену (0,098 нм), але не на одній лінії з ним, а утворюючи кут 105°. Кожний атом Гідрогену утримується біля атома Оксигену ковалентним зв’язком, утвореним завдяки виникненню спільної пари електронів. Енергія ковалентного зв’язку становить майже 110 ккал/моль. У цій сполуці 2 пари спільних електронів зміщені до Оксигену, тому електричний заряд всередині молекули розподілений нерівномірно: в атомів Гідрогену переважає позитивний заряд, а в Оксигену — негативний. Отже, молекула води — це диполь.

Наявністю електростатичних полюсів у молекулі води пояснюється її здатність набувати орієнтації в електричному полі, притягатись і приєднуватись до різних молекул та ділянок молекул, які несуть заряд, унаслідок чого утворюються гідрати.

Здатністю води утворювати гідрати пояснюють її універсальні розчинні властивості. З дипольними властивостями води пов’язана також здатність її утворювати водневі зв’язки. Водневий зв’язок виникає в результаті притягання між протонами і спільними парами електронів сусідніх молекул води.

Енергія водневого зв’язку, порівняно з енергією ковалентного зв’язку, невелика. Вона становить лише 4,5 ккал/моль. Проте слабкий зв’язок, повторений багаторазово, дає значну енергію взаємодії.

Завдяки тепловому рухові молекул водневі зв’язки між молекулами рідкої води постійно виникають і розриваються. Під час охолодження, коли енергія теплового руху стає меншою від енергії водневих зв’язків, останні пронизують усю масу молекул. Виникає регулярна, характерна для льоду шестигранна структура. Привертають до себе увагу великі міжмолекулярні порожнини, які виникають під час утворення льоду. Молекули в рідкій воді «упаковані» щільніше. Утворення водневих зв’язків між молекулами води істотно впливає на деякі її властивості. Відомо, наприклад, що теплота плавлення льоду вища, ніж у більшості інших речовин, і становить 335 кДж/кг. Така значна кількість тепла потрібна для розриву водневих зв’язків під час перетворення льоду в рідину.

Для перетворення льоду в рідину потрібно розірвати близько 15 % водневих зв’язків. Отже, у рідкій воді зберігаються значні скупчення молекул, зв’язаних між собою, як у льоді, водневими зв’язками.

Дослідження показують, що за температури +20 °С приблизно 70 % молекул перебуває у воді у вигляді агрегатів, які містять у середньому по 57 молекул у кожному. Такі агрегати, що зберігають у рідкій воді структуру льоду, називають кластерами.

Висока питома теплоємність води пояснюється поглинанням енергії, яка витрачається на руйнування кластерів. Це має істотне значення для організмів під час коливань температури зовнішнього середовища. Вода, поглинаючи тепло, що витрачається на розрив водневих зв’язків, діє як буфер. Висока теплота пароутворення води вказує на те, що кластери існують і за температури, близької до кипіння, тому потрібно багато енергії для руйнування залишків водневих зв’язків. Ця особливість води також використовується живими організмами для боротьби з перегріванням, що досягається випаровуванням води з поверхні тіла.

Вода визначає деякі фізичні властивості клітин, наприклад їх об’єм, пластичність. Вода — хороший розчинник: більшість речовин у водному розчині надходять у клітину й у водному ж розчині відпрацьовані речовини виводяться з клітини. Більшість реакцій, які відбуваються в клітині, можуть здійснюватись тільки у водному розчині. Вода є реагентом у багатьох реакціях. Так, білки, жири, вуглеводи та інші речовини розщеплюються за участі води. Такі реакції називають реакціями гідролізу.

Вода відіграє також істотну роль у розподілі та передаванні тепла в організмі. Вода є розчинником багатьох речовин: солей, цукрів, амінокислот, білків тощо. У цьому випадку притягання молекул води до розчинюваної речовини перевищує силу притягання між молекулами води.

Вода є основною речовиною протоплазми. Вода необхідна для перебігу реакцій обміну речовин. Проте активна роль у цих реакціях належить тільки вільним молекулам води. Якщо ж молекула входить до складу кластера, вона скована й метаболічно інертна. Якщо кластерів багато, вони скупчуються, оточують і наче «затирають» активні поверхні клітини (наприклад, активні центри ферментів), створюють перешкоди для взаємодії ферментів із субстратами і тому гальмують перебіг обмінних процесів.

Зв'язок між структурою води та її роллю в клітині

Вода в біологічних об’єктах виконує такі функції:

• а) водне середовище об’єднує всі структури організму, починаючи від молекул у клітинах і закінчуючи тканинами та органами, в єдине ціле. У тілі рослин водна фаза є безперервним середовищем: від вологи, поглинутої коренями із ґрунту, до поверхні розділення рідина — газ у листках, де вона випаровується;
• б) вода — важливий розчинник і середовище для біохімічних реакцій;
• в) вода бере участь в упорядкуванні структур у клітинах. Вона входить до складу молекул білків, визначаючи їх конформацію. Видалення води з білків висолюванням або за допомогою спирту призводить до їх коагуляції і випадання в осад. У підтриманні структур гідрофобних ділянок білкових молекул і ліпопротеїнів істотна роль належить структурованій воді;
• г) вода — метаболіт і безпосередній компонент біохімічних процесів. Так, під час фотосинтезу вода є донором електронів. Під час дихання, у циклі Кребса, вода бере участь в окиснювальних процесах. Вода необхідна для гідролізу та багатьох синтетичних процесів;
• ґ) можливо, істотну роль у життєвих явищах, особливо в мембранних процесах, відіграє відносно висока електронна провідність структурованої води;
• д) вода — головний компонент транспортної системи вищих рослин у судинах ксилеми й ситоподібних трубках флоеми під час переміщення речовин по симпласту (багатоядерний цитоплазматичний утвір, сукупність протопластів, з’єднаних з плазмодесмами) й апопласту (система взаємозв’язаних міжфібрилярних просторів клітинних оболонок та міжклітинників, через яку здійснюється переміщення води в рослині);
• е) вода — терморегулятор: вона захищає тканини від різких коливань температури завдяки високій теплоємності та високій питомій теплоті пароутворення;
• є) вода — добрий амортизатор під час механічних впливів на організм;
• ж) завдяки явищам осмосу й тургору вода забезпечує пружний стан клітин і тканин рослинних організмів;
• з) для водоростей вода — середовище існування;
• и) наземні спорові рослини зберігають залежність від води: їхні гамети рухаються за допомогою джгутиків;
• і) у насінних рослин існують досконалі механізми надходження й економного використання води, необхідної для їх життєдіяльності.