Vandens svarba ląstelėje. Vanduo. Struktūra, savybės. Vandens vaidmuo ląstelėje ir organizme. Kokią struktūrą turi vanduo?

Vanduo yra unikali medžiaga. Jis platinamas visur mūsų planetoje. Pabandykite įsivaizduoti, koks būtų mūsų gyvenimas be H2O molekulės? Ir nėra ko įsivaizduoti – mūsų planetoje gyvybės nebūtų. 70% žmonių sudaro vanduo. Kuo jaunesnis kūnas, tuo daugiau jo yra, o su amžiumi šis kiekis mažėja. Pavyzdžiui, paimkime embrioną – H2O procentas jame yra 90%.

Straipsnyje kviečiame pabrėžti viską, kas yra langelyje, ir išsamiai apsvarstyti kiekvieną. Svarbu paminėti, kad jis ten pateikiamas dviem formomis: laisva ir surišta. Tai nagrinėsime šiek tiek vėliau.

Vanduo

Visi žino, kad vanduo mūsų gyvenime vaidina labai svarbų, tiksliau, pagrindinį vaidmenį. Be jo mūsų planeta būtų negyva, negyva dykuma. Mokslininkai vis dar tiria vandenį ir jo vaidmenį žmogaus organizme.

Jau sakėme, kad vanduo mūsų ląstelėse randamas laisvomis ir surištomis formomis. Pirmasis skirtas medžiagoms paskirstyti – pernešti jas į ląstelę ir iš jos. Ir pastebėtas paskutinis:

• tarp pluoštų;
• membranos;
• baltymų molekulės;
• ląstelių struktūros.

Tiek laisvasis, tiek surištas vanduo ląstelėje būtinai atlieka kai kurias funkcijas, apie kurias pakalbėsime vėliau. O dabar keli žodžiai apie tai, kaip organizuota pati H2O molekulė.

Molekulė

Pirmiausia pažymėkime vandens molekulinę formulę: H2O. Tai labai paplitusi medžiaga planetoje, ir jūs turėtumėte tai atsiminti, nes vandens molekulinė formulė gana dažnai randama įvairiose žinių srityse. Beje, jo yra visuose žmogaus organuose, net dantų emalyje ir kauluose, nors ten jo procentas labai mažas – atitinkamai 10% ir 20%.

Kaip jau minėjome, kuo jaunesnis kūnas, tuo daugiau jame vandens. Mokslininkai mano, kad mes senstame, nes baltymai negali surišti didelio vandens kiekio. Tačiau tai tik hipotezė.

Funkcijos

Dabar toliau pateiktame sąraše aiškiai pabrėžkime daugiau jų:

• H2O gali veikti kaip tirpiklis, nes beveik visos cheminės reakcijos yra joninės ir vyksta vandenyje. Pažymėtina, kad yra hidrofilinių medžiagų (jos tirpina, pavyzdžiui, alkoholį, cukrų, aminorūgštis ir pan.), tačiau yra ir hidrofobinių (riebalų rūgštys, celiuliozė ir kt.).
• Vanduo gali veikti kaip reagentas.
• Atlieka transportavimo, termoreguliacijos ir konstrukcines funkcijas.

Siūlome apsvarstyti kiekvieną iš jų atskirai. Eikime eilės tvarka, pirmoji mūsų sąraše yra tirpiklio funkcija.

Tirpiklis

Vanduo ląstelėje atlieka daugybę funkcijų, tačiau viena iš svarbiausių yra padėti palengvinti daugybę reakcijų. H2O molekulė gali veikti kaip tirpiklis. Beveik visos ląstelėje vykstančios reakcijos yra joninės, tai yra terpė, kurioje jos gali vykti, yra vanduo.

Reagentas

Kitos vandens funkcijos ląstelėje yra jo kaip reagento dalyvavimas cheminėse reakcijose, vykstančiose organizme. Jie apima:

• hidrolizė;
• polimerizacija;
• fotosintezė ir pan.

Dabar šiek tiek apie tai chemijoje tai yra medžiagos, dalyvaujančios kai kuriose cheminėse reakcijose, pavadinimas. Svarbiausia, kad nors jis dalyvauja reakcijoje, jis nėra apdorojimo objektas. Reagentai laboratorijoje (dar vadinami reagentais) yra gana dažnas reiškinys.

Vanduo, kaip reagentas, dalyvauja kitų organizmui reikalingų medžiagų sudėtyje.

Transporto funkcija

Kodėl mes gyvename? Mūsų kūnas egzistuoja tik todėl, kad ląstelės, iš kurių jis susideda, yra gyvos. Ir jie turėtų padėkoti už savo unikalią struktūrą ir kai kurias H2O molekulės galimybes. Jau minėjome, kad vanduo yra neatsiejama mūsų kūno dalis, o kiekvienoje ląstelėje yra šios unikalios molekulės, tiksliau, jos sudėtis yra pirmoje vietoje.

Vandens transportavimo funkcija ląstelėje yra dar viena H2O paskirtis mūsų organizme. Vanduo turi tam tikrą savybę – prasiskverbimą į tarpląstelinę erdvę, kurios dėka į ląstelę patenka maistinės medžiagos.

Taip pat verta žinoti, kad kraujyje ir limfoje taip pat yra vandens, o jo trūkumas sukelia tam tikras pasekmes: kraujavimą ar trombozę.

Termoreguliacija

Kokių vandens funkcijų ląstelėje mes dar neišsiaiškiname? Žinoma, termoreguliacija. Sakėme, kad vanduo gali sugerti šilumą ir išlaikyti ją ilgą laiką. Taigi H2O gali apsaugoti ląstelę nuo hipotermijos ar perkaitimo. Termoreguliacijos funkcija reikalinga ne tik atskiroms ląstelėms, bet ir visam organizmui kaip visumai.

Struktūrinė funkcija

Jas jau išvardinome, tačiau belieka aptarti dar vieną tikslą – ląstelių struktūros palaikymą.

Ar kada bandėte suspausti skystą vandenį? Net laboratorinėmis sąlygomis tai labai sunku pasiekti. Ši vandens savybė yra būtina norint išlaikyti kiekvienos ląstelės formą ir struktūrą.

Prisiminkite amžinai: be vandens gyvenimas neįmanomas. Troškulį jaučiame, kai organizmas netenka apie 3% vandens, o netekus 20%, miršta ląstelės, taigi ir žmogus. Stebėkite, kiek vandens išgeriate.

Visi žino, kad vanduo vaidina vieną iš svarbiausių vaidmenų žmogaus gyvenime ir kad be jo gyvenimas Žemėje neįsivaizduojamas. Tyrinėdami pasaulį ir studijuodami įvairius mokslus, žmonės sužino, koks yra vandens biologinis vaidmuo ląstelėje ir koks vanduo svarbus bet kokių organizmų funkcionavimui.

Vanduo (molekulinė formulė H2O) yra gausiausia medžiaga žemėje. Jis randamas beveik visur įvairiais kiekiais. Pavyzdžiui, dantų emalyje jis užima 10%, o besivystančiame embrione – daugiau nei 90%. Žmogaus kūne yra apie 65% vandens. Ypač juo yra prisotinti jaunų organizmų audiniai.

Taigi, kūdikio kūne yra 70% skysčių. Egzistuoja net hipotezė, pagal kurią senėjimo priežastis yra organizmo baltymų nesugebėjimas surišti didelio vandens kiekio. Visuose žmogaus audiniuose ir organuose yra skysčių. Net kauluose jo yra apie 20%, o smegenyse, kepenyse ir raumenyse šis skaičius padidėja iki 80%.

Vienas pagrindinių gyvybės požymių – medžiagų apykaita. Visų rūšių – baltymų, angliavandenių, riebalų ir kitų – medžiagų apykaita taip pat apima vandenį. Jo esmė yra skysčio absorbcijos žarnyne ir skrandyje procesas, po kurio jis pasiskirsto kūno audiniuose ir išsiskiria per inkstus, odą ir plaučius.

Gyvi audiniai susideda iš ląstelių ir tarpląstelinių medžiagų, kurios sudaro gana sudėtingą sistemą, o kai kuriose jų dalyse yra vandens. Juk tai puikus tirpiklis daugumai gyvų medžiagų, sudarančių gyvą organizmą.

Jo dėka vandens mainų metu vyksta termoreguliacijos procesas. Taip pat su vandeniu pasišalina ir nereikalingi bei kenksmingi medžiagų apykaitos produktai.

Iš to, kas išdėstyta pirmiau, galime daryti išvadą, koks yra vandens vaidmuo ląstelėje:

1. Išlaikomas ląstelių elastingumas. Pavyzdžiui, kai ląstelė netenka skysčių, vaisiai gali išdžiūti arba lapai nuvyti.
2. Medžiagos perkeliamos, įskaitant nereikalingų elementų pašalinimą.
3. Cheminių reakcijų pagreitis užtikrinamas tirpinant medžiagas skystyje.
4. Druskos ir cukrus ištirpsta.
5. Dėl vandens gebėjimo lėtai įkaisti ir atvėsti jis dalyvauja termoreguliacijoje.

Laisvas ir surištas vanduo

Vandens vaidmenį ląstelės gyvenime turbūt sunku pervertinti. Be to, esant didesniam medžiagų apykaitos greičiui, padidėja skysčių kiekis. Vanduo ląstelėje gali būti surištas arba laisvas. Pastarasis yra vakuolėse, tarpuose tarp ląstelių, įvairių organų ertmėse ir kraujagyslėse. Tai būtina norint perkelti medžiagas į ląstelę ir iš jos į išorinę aplinką.

Dėl neįprasto elektronų išsidėstymo šioje molekulėje yra tam tikra elektrinė asimetrija. Kadangi deguonis yra labiau elektronegatyvus, jis stipriau pritraukia vandenilį.

Vanduo kaip tirpiklis

Dėl molekulių poliškumo, taip pat dėl ​​jų gebėjimo sudaryti vandenilinius ryšius, vanduo yra labai geras joninių junginių, tokių kaip druskos ar rūgštys, tirpiklis. Nejoniniai (bet poliniai) junginiai taip pat gerai tirpsta skystyje. Tai medžiagos, kurių molekulėse yra įkrautų (polinių) grupių, pavyzdžiui, alkoholiai, cukrūs arba aminorūgštys.

Išskyrus labai mažas išimtis (kaulų ir dantų emalį), vanduo yra vyraujantis ląstelės komponentas. Vanduo yra būtinas ląstelių metabolizmui (mainai), nes fiziologiniai procesai vyksta tik vandeninėje aplinkoje. Vandens molekulės dalyvauja daugelyje ląstelės fermentinių reakcijų. Pavyzdžiui, baltymų, angliavandenių ir kitų medžiagų skilimas vyksta dėl jų sąveikos su vandeniu, katalizuojamu fermentų. Tokios reakcijos vadinamos reakcijomis hidrolizė.

Vanduo fotosintezės metu yra vandenilio jonų šaltinis. Vanduo ląstelėje yra dviejų formų: laisvas ir surištas.

Laisvas vanduo sudaro 95% viso ląstelėje esančio vandens ir daugiausia naudojamas kaip tirpiklis ir kaip protoplazmos koloidinės sistemos dispersinė terpė.

Pririštas vanduo, kuris sudaro tik 4% viso vandens ląstelėje, yra laisvai sujungtas su baltymais vandeniliniais ryšiais.

Vandens molekulės poliškumas. Dėl asimetrinio krūvio pasiskirstymo vandens molekulė veikia kaip dipolis ir todėl gali būti surištas tiek teigiamo, tiek neigiamo krūvio baltymų grupių. Vandens molekulės dipolio savybė paaiškina jos gebėjimą orientuotis elektriniame lauke ir prisijungti prie įvairių molekulių ir molekulių dalių, turinčių krūvį. Dėl to susidaro hidratai.

Šilumos talpa. Dėl didelės šiluminės talpos vanduo sugeria šilumą ir taip apsaugo nuo staigių temperatūros svyravimų ląstelėje.

Vandens transportavimo funkcija. Vanduo- pagrindinės medžiagų judėjimo organizme priemonės (kraujo tekėjimas, limfa, kylančios ir besileidžiančios tirpalų srovės per augalų indus) ir ląstelėje.

Vanduo yra kaip lubrikantas. Vanduo tarnauja kaip „tepalas“, būtinas visur, kur yra besitrinančių paviršių (pavyzdžiui, jungtyse).

Didžiausias vandens tankis yra 4 °C temperatūroje. Todėl ledas, kurio tankis mažesnis, yra lengvesnis už vandenį ir plūduriuoja jo paviršiuje, o tai apsaugo rezervuarą nuo užšalimo. Ši vandens savybė išsaugo daugelio vandens organizmų gyvybes.

Vanduo yra labiausiai paplitęs junginys gyvose sistemose. Bet vandens kiekis labai įvairus: nuo 10% (dantų emalio), 20% (kaulinio audinio), iki 85% (žmogaus smegenyse), sausose sėklose 10-12%, medūzose 95-98%, t.y. visas kūnas iš esmės sudarytas iš vandens. 20% vandens praradimas sukelia ląstelių mirtį arba sustabdytą animaciją.

Vandens savybės yra unikalios, t.y. joks kitas junginys jų neturi. Taip yra dėl jo molekulių sandaros: vienas deguonies atomas stipriu kovalentiniu ryšiu sujungtas su dviem vandenilio atomais, t.y. H 2 O yra labai paprastas junginys. Vandenilio atomai yra prijungti prie deguonies 104,5 0 kampu.

1 pav. Vandens molekulės sandara.

Vandens fizinių savybių ypatybės yra susijusios su jo molekulės sandara ir tarpmolekulinės sąveikos ypatumais. Elektronų tankio pasiskirstymas vandens molekulėje yra toks (1 pav., b, c), kad susidaro 4 krūvių poliai: 2 teigiami, susiję su vandenilio atomais, ir 2 neigiami, susiję su deguonies elektronų elektronų debesimis. atomas. Nurodytieji 4 krūvio poliai yra išsidėstę tetraedro viršūnėse (1 pav., d). Dėl šios priežasties vandens molekulė yra dipolinė, o keturi krūvių poliai leidžia kiekvienai molekulei sudaryti keturis vandenilio ryšius su kaimyninėmis (pačiomis) molekulėmis. Dėl to susidaro klasteriai (akimirksniu sušalę atrodo kaip gražios snaigės, 2 pav.).

2 pav. Vandens klasterio susidarymas.

Susidaro klasteriai dirbantys „vandens struktūra“. Vandeniliniai ryšiai yra silpni, 15-20 kartų silpnesni už kovalentinius ryšius. Todėl kai kurie ryšiai lengvai nutrūksta, o kiti atsiranda. Dėl to molekulės yra labai judrios. Bet kokie išoriniai pokyčiai (temperatūra, slėgis ir kt.) keičia šią darbo struktūrą. Taigi vanduo turi didelį jautrumą ir atmintį.

Vandens molekulės gali prisijungti prie molekulių, turinčių elektroninį krūvį, todėl susidaro hidratai. Jei traukos jėga tarp vandens molekulių yra mažesnė už vandens trauką prie medžiagos molekulių, medžiaga ištirpsta.

Vandens savybės ir funkcijos.

1. Sujungia visą gyvąją ir negyvąją planetos gamtą į vieną sistemą. Vanduo judrus ir kintantis, tačiau kinta ne molekulių cheminė sudėtis, o klasterio struktūra.

2. Vanduo yra universalus tirpiklis. Dėl savo poliškumo jai nėra lygių: vandenyje ištirpsta daugiau medžiagų nei kituose skysčiuose. Medžiagos patenka į ląstelę ir iš jos išeina tik ištirpusios.

3. Vandens atžvilgiu ląstelėje esančios medžiagos skirstomos į 2 grupes:

a) hidrofobinis (fobos - baimė, siaubas): netirpsta vandenyje (riebalai, polisacharidai ir kt.)

b) hidrofilinis (fileonas – meilė): tirpus vandenyje (mineralinės druskos, rūgštys, monosacharidai ir kt.)

Dėl šios vandens savybės (dėl hidrofobinės sąveikos) ląstelėje surenkama:

1) biologinės membranos,

2) baltymai ir DNR įgauna spiralės formą.

4. Vanduo pasižymi didele šilumos talpa (t.y. vandens temperatūrai pakelti ir vandeniliniams ryšiams nutraukti reikia daug energijos). Taigi vandens virimo temperatūra yra 100 0 C, o alkoholio - 70 0 C.

5. Didelis šilumos laidumas. Dėl šios savybės ląstelėje ir kūne palaikoma šiluminė pusiausvyra.

6. Pats vanduo, kaip cheminis junginys, dalyvauja daugelyje cheminių reakcijų. Pavyzdžiui, hidrolizės reakcijos atsiranda dėl vandens pridėjimo.

7. Tai yra O 2 ir H + šaltinis fotosintezės (vandens fotolizės) metu.

8. Vanduo yra pagrindinė medžiagų pernešimo ląstelėje (difuzija) ir organizmo terpė (kraujo ir limfos srautai, tarpląstelinis skystis, kuriame yra maistinių medžiagų, O 2 ir CO 2, hormonai, genus įjungiančios ir išjungiančios medžiagos). Tai yra transporto funkcija.

9. Suteikia ląstelių tūrį ir elastingumą: turgorą ir osmosinį slėgį, palaiko ląstelių ir organizmų formą (hidroskeletas apvaliais ir annelidais).

10. Tręšimo terpė.

11. Vandens organizmų gyvenimo aplinka.

12. Terpė gyvūnų embrionams vystyti (amnione).

13. Dalyvauja formuojant tepalinius skysčius sąnariuose, pleuros ertmėje, perikardo maišelyje.

14. Formuojasi gleivės, kurios užtikrina medžiagų judėjimą žarnynu, drėgną aplinką ant gleivinių (čiaudint, kosint).

15. Dalyvauja išskyrų (seilių, ašarų, tulžies, spermos ir druskų organizme) formavime.

16. Vanduo yra mūsų planetos gyvybę ribojantis veiksnys. Kur yra vandens, ten yra gyvybė, kur nėra vandens, ten nėra gyvybės.

Kai kurie mokiniai mokykloje turi rašyti esė tema: „Kokį vaidmenį ląstelėje atlieka vanduo? Ir kiekvienas stropus bendrosios biologijos kurso studentas žino, kad be jo žmonijos gyvenimas neįmanomas. Jei žmogus netenka iki 3% skysčių, jis pradeda jausti troškulį. Kai netenkama apie 20% skysčių, gyvo organizmo ląstelės pradeda mirti, o tai galiausiai sukelia mirtį.

Susisiekus su

Klasės draugai

Vandens svarba ląstelių gyvybei

Mūsų planetoje ši medžiaga yra Dažniausiai. Kiekvienoje gyvo organizmo ląstelėje jo yra daugiau, tuo ji intensyviau dalyvauja medžiagų apykaitos procesuose.

Ši medžiaga randama organizme tiek surišta, tiek laisva forma. Laisvas skystis dalyvauja transportuojant iš išorinės aplinkos į ląstelę ir atvirkščiai. Laisvas skystis veikia kaip tirpiklis ir yra 95% visos masės. Jis yra organų ertmėse, vakuolėse, tarpląstelinėje erdvėje ir kraujagyslėse.

Surištas skystis gali būti tarp skaidulų, baltymų molekulių, membranų, ląstelių struktūrose ir sudaro junginius su tam tikrais baltymais. Kiekvienoje ląstelėje surišto skysčio yra ne daugiau kaip 4% viso.

Savybės

Ši medžiaga žmogui, kaip ir bet kuris kitas gyvas organizmas, svarbesnė nei maistas. . Tai yra pagrindinis kūno gyvenimo elementas ir suteikia:

Kaip bet kurios ląstelės dalis, kaip matyti toliau pateiktoje lentelėje, vanduo užima pirmąją vietą pagal kiekybinę sudėtį.

Funkcijos

Kaip žinote iš mokyklos chemijos kursų, vanduo yra įvairių organizme vykstančių procesų katalizatorius. Įvairios cheminės reakcijos vyksta bet kurio gyvo organizmo ląstelėse, kur vanduo dalyvauja kaip reagentas.

Virškinimo proceso metu baltymai, angliavandeniai ir riebalai atsiranda dalyvaujant vandens molekulėms ir išsiskiria energija, galinti palaikyti gyvybinius procesus.

Dalyvavimas druskų hidrolizėje leidžia jai būti protonų ir elektronų šaltiniu. Pagrindinis tarpląstelinių procesų rodiklis yra skystos medžiagos gebėjimas dalyvauti grįžtamojoje jonizacijoje ir sudaryti ryšius su vandeniliu.

Transporto funkcijaŠi medžiaga taip pat atlieka funkcijas gyvo organizmo organuose. Visas ląstelės atliekas išskiria skystos molekulės. Maistinės medžiagos į ląsteles tiekiamos skystos medžiagos molekulėmis, prasiskverbiančiomis į tarpląstelinę erdvę.

Pagrindinis limfos ir kraujo komponentas yra skystis. Jo trūkumas organizme sukelia kraujo sutirštėjimą ir kraujagyslių trapumą. Vietoje tai išreiškiama trombozės ir kraujavimo forma.

Organų ir audinių struktūros pastovumą užtikrina tai, kad jis nesusispaudžia skystu pavidalu, suformuodamas optimalų ląstelinį slėgį ir išlaikydamas ląstelės struktūrą.

Pastovi temperatūra kūno viduje palaikoma dėl to, kad skysčio molekulė yra intensyvi šiluma struktūra. Taip pat skaidant riebalus susidaro daug energijos, kuri taip pat padeda palaikyti optimalią temperatūrą.

Ši medžiaga turi mažą molekulinį dydį, poliškumą ir molekulių gebėjimą jungtis viena su kita naudojant vandenilio ryšius, o tai lemia jos biologinį vaidmenį.

Yra dvi vandens funkcijos: biologinių procesų požiūriu:

Fotolizė

Fotosintezės metuši medžiaga yra vandenilio jonų šaltinis. Fotolizė vyksta fotosintezės metu. Išvertus iš graikų kalbos, šis reiškinys reiškia ištirpimą, suirimą arba skilimą dalyvaujant šviesai. Fotolizė vyksta šviesiojoje fotosintezės fazėje, kai, veikiant šviesai, šios medžiagos molekulė skyla į jonus.

Fotolizė suskaido vandens molekulę į protonus ir elektronus ir išskiria deguonį kaip šalutinį produktą. Būtent šiuo deguonimi kvėpuoja visos planetos gyvos būtybės.