Какова биологическая роль воды в клетке какие они содержатся в клетке
Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 11 сентября 2016;
проверки требуют 11 правок.
Уникальные свойства позволили воде играть в клетке роль растворителя, терморегулятора, а также поддерживать структуру клеток и осуществлять транспорт веществ и пр.
Природа водородных связей[править | править код]
Сама молекула Н2O электронейтральна, но заряд внутри молекулы распределен неравномерно: в области атомов водорода небольшой положительный, а в области, где расположен атом кислорода, небольшой отрицательный заряд. Благодаря этому молекулы воды могут взаимодействовать друг с другом с образованием так называемых водородных связей.
Водородная связь определяет свойства воды:
- У воды очень высокие температуры кипения, плавления и парообразования, так как нужно затратить дополнительную энергию на разрыв водородных связей. Только вода находится во всех трех агрегатных состояниях одновременно. Другие вещества со сходным строением и молекулярной массой, такие как H2S, HCl, NH3 при обычных условиях являются газами.
- Гидрофобные вещества не будут растворяться в воде, зато молекулы H2O смогут отделить гидрофобное вещество от самой толщи воды. Например, жиры-фосфолипиды, из которых состоит клеточная мембрана, могут благодаря взаимодействию с водой формировать липидный бислой.
Участие в химических реакциях[править | править код]
Вода в качестве реагента участвует во многих химических реакциях:
- В ходе фотосинтеза растений происходит фотолиз воды: водород из состава воды используется для создания мембранного градиента протонов для синтеза АТФ, а свободный кислород диффундирует в атмосферу. Уравнение фотосинтеза: 6H2O+6CO2=C6H12O6+ 6O2
- Вода участвует в гидролизе — разрушении веществ с присоединением воды. Например, гидролиз жиров, белков и углеводов происходит при переваривании пищи, а при гидролизе АТФ выделяется энергия, необходимая для осуществления энергетически невыгодных ферментативных реакций.
- При гидролизе солей вода является источником протонов и электронов.
Поддержание структуры клеток[править | править код]
Вода практически не сжимается (в жидком состоянии), и поэтому служит гидростатическим скелетом клетки. За счет осмоса вода создает избыточное давление внутри вакуолей растительных клеток, это тургорное давление обеспечивает упругость клеточной стенки и поддержание формы органов (например, листьев).
Транспорт веществ[править | править код]
- У растений, благодаря, в частности, капиллярному эффекту, характерному для воды (её молекулам свойственна когезия) осуществляется подъём от корня к другим частям растения растворенных в воде минеральных солей по сосудам. Также из-за когезии вода в почве доступна для всасывания через корневые волоски.
- Транспорт продуктов фотосинтеза происходит посредством перемещения по ситовидным трубкам водного раствора сахарозы.
- Выведение, перемещение продуктов обмена веществ в растворенном виде у животных (вода является основным компонентом крови и лимфы, а также играет важную роль в выделительной системе).
Участие в терморегуляции[править | править код]
Вследствие своей большой теплоёмкости — 4200 Дж/(кг·К) — вода обеспечивает примерное постоянство температуры внутри клетки. Вода может переносить большое количество теплоты, отдавая её там, где температура тканей ниже, и забирая там, где температура более высокая. Также при испарении воды происходит значительное охлаждение из-за того, что много энергии тратится на разрыв водородных связей при переходе из одного агрегатного состояния (жидкость) в другое (газ) .
Источники[править | править код]
- Д. Тейлор, Н. Грин, У. Стаут. Биология. — Москва: Мир, 2004.
- М. Б. Беркинблит, С. М. Глаголев, В. А. Фуралев. Общая биология. 10-й класс. — Москва: МИРОС, 1999.
Роль воды в клетке для живого организма незаменима.
Она составляет около 70 процентов от ее массы. Остальные 30 процентов занимают органические и неорганические вещества. Недостаток жидкости приводит к истощению или гибели организма.
В данной статье мы узнаем, какие важные функции вода выполняет в клетках.
Какую роль выполняет в клетке вода
Все живые организмы состоят из клеток: человек, растения, животных, бактерии и т.д. Клетка – это наименьшая единица строения живого организма.
Они различаются, но имеют общие признаки.
Источник: Биология, Л.Н Сухорукова, В. С. Кучменко, И. Я. Колесникова
В состав всех клеток входят органические и неорганические вещества. Самое распространенное неорганическое вещество – вода.
Рассмотрим кратко её основные функции.
- Растворитель. Вода выполняет в клетке функцию растворителя, большинство химических реакций протекают только в водной среде.
- Транспортная функция. Помогает переносить питательные вещества из одной части в другую.
- Функция регенерации. С помощью воды удаляются ненужные продукты жизнедеятельности.
- Вода как реагент. Она участвует во многих химических реакциях: полимеризации, гидролиза, в процессе фотосинтеза.
- Терморегуляторная. Поглощает большое количество тепловой энергии при минимальном повышении собственной температуры. Таким образом, защищает организм от перегрева и обеспечивает равномерное распределение тепла по всему организму.
- Придает форму и упругость клетке. Вода практически не сжимается (в жидком состоянии) и служит гидростатическим скелетом. В составе клетке вода занимает 1 место среди всех химических соединений, определяет объем и упругость.
Химическая роль
Вода в качестве реагента участвует во многих химических реакциях:
- фотосинтеза растений;
- гидролизе – разрушении веществ с присоединением воды.
Химический состав клетки
Рассмотрим полный состав на рисунке № 2.
Химический состав
Органические вещества
- Белки – сложные органические соединения. В одном организме может быть несколько тысяч разных видов. Самый известный белок — гемоглобин. Он осуществляет поступление кислорода ко всем клеткам. Благодаря белку Интерферону, организм человека борется с вирусными заболеваниями.
- Углеводы необходимы, как источник энергии. К ним можно отнести: глюкозы, сахарозу и д. р.
- Жиры являются запасным источником энергии и воды. Особенно они важны для животных, впадающих в спячку.
- Нуклеиновые кислоты – высокомолекулярные соединения. Присутствуют во всех живых организмах. Передают наследственную информацию. Они хорошо растворимы в воде, практически нерастворимы в органических растворителях.
Неорганические вещества
- Вода занимает 70 процентов. Она является непосредственным участником роста, размножения, питания, выделения, передвижения веществ в клетке и организме.
- Минеральные соли, растворены в воде. Составляют от 1-1,5 процентов. В растворенном виде они образуют необходимую среду для химических процессов.
- Углекислый газ.
- Кислоты и основания.
Как образуются органические и неорганические вещества
В природе большое разнообразие клеток. Они могут отличаться размерами, функциям, формой. Могут быть свободноживущими или входить в состав многоклеточного организма. При всем многообразии они состоят из одних и тех же типов химических веществ.
Живую клетку отличают 2 особенности:
- высокое содержание воды;
- большое количество сложных органических веществ.
По подсчетам ученых в ней можно встретить около 70 химических элементов, правда, только 24 встречаются постоянно. Рассмотрим рисунок № 3.
По количеству элементы, содержащиеся в клетках, делят на 3 группы.
- Макроэлементы. Встречаются в большом количестве. К ним относят: Кислород, Углерод, Водород, Азот, Серу, Железо, Фосфор, Кальций и т.д.
- Микроэлементы. Встречаются в небольшом количестве такие элементы, как: Марганец, Медь, Кобальт, Цинк и т.д. Несмотря на малое содержание, они выполняют большую роль в обмене веществ.
- Ультрамикроэлементы. Составляют менее 0, 000001 % в организме живых существ. К ним относятся: Золото, Серебро, Платина, Цезий, Селен и т. д.
Процентное содержание элементов не характеризует их важность в организме.
Многие элементы входят в состав биологически важных веществ, ферментов, витаминов. Например, Кобальт входит в состав Витамина В 12.
Эти 70 элементов могут входить в состав клетки. Они образуют 1000 химических веществ, которые можно разделить на неорганические и органические вещества.
Вода в органах и тканях
Всем живым существам необходима вода. Тело человека состоит из воды на 60-80 процентов. Она необходима каждому органу: коже, головному мозгу, желудку, сердцу, зубной эмали, ногтям и т.д.
При недостатке жидкости происходит обезвоживание организма. В клетке человека в разных органах и тканях содержится разное количество воды.
Для наглядности представлен рисунок № 4.
Примечательной особенностью является то, что с возрастом в теле человека становится меньше жидкости.
Например, у новорожденного — 80 процентов жидкости, у пожилого человека — 60 процентов.
Функции свободной воды в бактериальных клетках
Вода в клетках живых организмах бывает двух видов.
- Свободная, входит в состав цитоплазмы, заполняет межклеточные пространства, заполняет сосуды, пространства между органами. Она нужна для транспортировки веществ и для поддержания процессов жизнедеятельности
- Связанная, входит в состав клеточных структур (например, белков, мембран).
Основных различием бактериальной клетки является отсутствие ядра. Вместо него в центральной части находится ядерное вещество, которое выполняет такие же функции. Рассмотрим рисунок № 5.
Бактериальная состоит из 80-90 процентов воды, 10 процентов приходится на долю сухого вещества.
Свободная вода в ее составе выполняет функции:
- растворителя;
- транспортировки;
- обеспечивает процессы метаболизма;
- способствует размножению.
Существуют организмы, не имеющие клеточного строения. К ним относят вирусы.
Заключение
В жизнедеятельности клетки вода выполняет ключевую роль. Её содержание не редко достигает 70-80 процентов. Вода необходима для каждого процесса в живом организме и содержится в каждом органе. Вода – источник жизни, ее биологическая роль бесценна для живого организма.
Свойства воды и ее роль в клетке:
На первом месте среди веществ клетки стоит вода. Она составляет около 80% массы клетки. Вода важна для живых организмов вдвойне, ибо она необходима не только как компонент клеток, но для многих и как среда обитания.
1. Вода определяет физические свойства клетки — ее объем, упругость.
2. Многие химические процессы протекают только в водном растворе.
3. Вода — хороший растворитель: многие вещества поступают в клетку из внешней среды в водном растворе, и в водном же растворе отработанные продукты выводятся из клетки.
4. Вода обладает высокой теплоемкостью и теплопроводностью.
5. Вода обладает уникальным свойством: при охлаждении ее от +4 до 0 градусов, она расширяется. Поэтому лед оказывается легче жидкой воды и остается на ее поверхности. Это очень важно для организмов, обитающих в водной среде.
6. Вода может быть хорошим смазочным материалом.
Биологическая роль воды определяется малыми размерами ее молекул, их полярностью и способностью соединяться друг с другом водородными связями.
Биологические функции воды:
транспортная. Вода обеспечивает передвижение веществ в клетке и организме, поглощение веществ и выведение продуктов метаболизма. В природе вода переносит продукты жизнедеятельности в почвы и к водоемам.
метаболическая. Вода является средой для всех биохимических реакций, донором электронов при фотосинтезе; она необходима для гидролиза макромолекул до их мономеров.
вода участвует в образовании смазывающих жидкостей и слизей, секретов и соков в организме.
За очень немногими исключениями (кость и эмаль зуба), вода является преобладающим компонентом клетки. Вода необходима для метаболизма (обмена) клетки, так как физиологические процессы происходят исключительно в водной среде. Молекулы воды участвуют во многих ферментативных реакциях клетки. Например, расщепление белков, углеводов и других веществ происходит в результате катализируемого ферментами взаимодействия их с водой. Такие реакции называются реакциями гидролиза.
Вода служит источником ионов водорода при фотосинтезе. Вода в клетке находится в двух формах: свободной и связанной. Свободная вода составляет 95% всей воды в клетке и используется главным образом как растворитель и как дисперсионная среда коллоидной системы протоплазмы. Связанная вода, на долю которой приходится всего 4% всей воды клетки, непрочно соединена с белками водородными связями.
Из-за асимметричного распределения зарядов молекула воды действует как диполь и потому может быть связана как положительно, так и отрицательно заряженными группами белка. Дипольным свойством молекулы воды объясняется способность ее ориентироваться в электрическом поле, присоединяться к различным молекулам и участкам молекул, несущим заряд. В результате этого образуются гидраты
Благодаря своей высокой теплоемкости вода поглощает тепло и тем самым предотвращает резкие колебания температуры в клетке. Содержание воды в организме зависит от его возраста и метаболической активности. Оно наиболее высоко в эмбрионе (90% ) и с возрастом постепенно уменьшается. Содержание воды в различных тканях варьируется в зависимости от их метаболической активности. Например, в сером веществе мозга воды до 80%, а в костях до 20%. Вода — основное средство перемещения веществ в организме (ток крови, лимфы, восходящие и нисходящие токи растворов по сосудам у растений) и в клетке. Вода служит «смазочным» материалом, необходимым везде, где есть трущиеся поверхности (например, в суставах). Вода имеет максимальную плотность при 4°С. Поэтому лед, обладающий меньшей плотностью, легче воды и плавает на ее поверхности, что защищает водоем от промерзания. Это свойство воды спасает жизнь многим водным организмам.
Всем известно, что вода играет одну из самых ключевых ролей в жизнедеятельности человека и что без неё жизнь на Земле немыслима. Познавая мир и изучая различные науки, люди узнают, какова биологическая роль воды в клетке и настолько вода важна для функционирования любых организмов.
Молекула воды и её функция
Вода (молекулярная формула Н2О) является самым распространённым веществом на земле. Она содержится практически везде в разных количествах. Например, в зубной эмали она занимает 10 %, а вот в развивающемся зародыше – больше 90 %. В человеческом теле содержится приблизительно 65% воды. Особенно насыщены ею ткани молодых организмов.
Так, в теле младенца содержится 70% жидкости. Существует даже гипотеза, согласно которой причиной старения считается неспособность белков в организме связывать большие объёмы воды. Все человеческие ткани и органы содержат жидкость. Даже в костях её наличие составляет приблизительно 20 %, а в мозге, печени и мышцах эта цифра увеличивается до 80%.
Одним из основных признаков жизни является обмен веществ. Все виды обмена – белковый, углеводный, жировой и другие – включают также и водный. Его суть заключается в процессе всасывания жидкости в кишечнике и желудке с последующим распределением её в тканях организма и выделением при помощи почек, кожи и лёгких.
Живые ткани состоят из клеток и межклеточных веществ, представляющих собой достаточно сложную систему, и в отдельных их частях содержится вода. Ведь она является отличным растворителем для большинства живых веществ, из которых состоит живой организм.
Благодаря ей во время водного обмена происходит процесс терморегуляции. Также с водой уходят ненужные и вредные продукты обмена.
Из вышесказанного можно сделать вывод, какова роль воды в клетке:
- Поддерживается упругость клетки. При потере клеткой жидкости, например, могут высохнуть плоды или завянут листья.
- Происходит перемещение веществ, в том числе удаляются ненужные элементы.
- Обеспечивается ускорение химических реакций благодаря растворению веществ в жидкости.
- Происходит растворение солей и сахаров.
- Благодаря способности воды медленно нагреваться и остывать она участвует в терморегуляции.
Свободная и связанная вода
Роль воды в жизни клетки, пожалуй, сложно переоценить. Причём при большей интенсивности обмена веществ количество жидкости увеличивается. Вода в клетке может быть связанной или свободной. Последняя содержится в вакуолях, пространствах между клетками, полостях различных органов, сосудах. Она необходима для того, чтобы переносить вещества в клетку и из неё во внешнюю среду.
Содержание связанной воды наблюдается между волокнами, мембранами, белковыми молекулами, а также в отдельных клеточных структурах. Н2О обладает действительно уникальными свойствами – их связывают с тем, как устроена её молекула. Она содержит один атом кислорода и два атома водорода, которые соединяются между собой при помощи ковалентных полярных связей.
Благодаря тому, что электроны в данной молекуле располагаются необычно, в ней существует некая электрическая асимметрия. Поскольку кислород является более электроотрицательным, он сильнее притягивает водород.
Вода как растворитель
Благодаря полярности молекул, а также их способности к созданию водородных связей, вода оказывается очень хорошим растворителем ионных соединений, например, солей или кислот. Также неплохо растворяются в жидкости неионные (однако полярные) соединения. К таким относятся вещества, в молекулах которых содержатся заряженные (полярные) группы, – например, спирты, сахара либо аминокислоты.
Гидрофильными называют вещества, которые быстро растворяются в воде. При этом вещество, которое переходит в раствор, регулирует свободное движение молекул и ионов, что приводит к улучшению его реакционных способностей.
Роль воды в организме человека: Видео
Некоторым ученикам приходится писать в школе эссе на тему: «Какую роль в клетке играет вода?». И каждый прилежный ученик из курса общей биологии знает, что без нее жизнь человечества невозможна. Если человек теряет до 3% жидкости, то начинает испытывать жажду. При потере около 20% жидкости клетки в живом организме начинают отмирать, что приводит в конечном итоге к гибели.
…
Значение воды для жизнедеятельности клетки
На нашей планете это вещество является самым распространенным. Каждая клетка живого организма содержит его тем больше, чем интенсивнее она участвует в обменных процессах.
В организме это вещество содержится в связной и свободной форме. Свободная жидкость участвует в транспортировке из внешней среды в клетку и наоборот. Свободная жидкость выступает в роли растворителя и содержится в количестве 95% от общей массы. Содержится она в полостях органов, вакуолях, межклеточном пространстве и сосудах.
Связанная жидкость может находиться между волокнами, молекулами белка, мембранами, в клеточных структурах и образовывает соединения с некоторыми белками. Связанной жидкости в каждой клетке содержится не более 4% от общего количества.
Свойства
Это вещество для человека, как и любого другого живого организма, имеет большее значение, чем пища. Она является главным элементом жизни организма и обеспечивает:
- Терморегуляцию. Достигается это благодаря медленному нагреванию и медленному остыванию.
- Обменные процессы в организме.
- Транспорт веществ.
- Поддержание клеточной структуры. В результате потери большого количества жидкости наблюдается их увядание.
- Участие в химических реакциях.
В составе любой клетки, как видно в таблице ниже, первое место занимает вода по количественному составу.
| Содержание в тканях | Содержание в процентах |
| В мышечной | 65% |
| В костной | 22% |
| В жировой | 99% |
| В крови | 83% |
| В стекловидном теле глаза | 99% |
| В зубной эмали | 0,2% |
| В мозговой ткани | 85% |
Функции
Как известно из курса школьной химии, вода служит катализатором для протекания разнообразных процессов в организме. Внутри клеток любого живого организма происходят различные химические реакции, где участие воды протекает в качестве реагента.
В процессе пищеварения происходит гидролиз белков, углеводов и жиров с участием молекул воды и высвобождается энергия, способная обеспечить процессы жизнедеятельности.
Участие в гидролизе солей позволяет ей служить источником для протонов и электронов. Главный показатель для внутриклеточных процессов — это способность вещества жидкости участвовать в обратимой ионизации и образовывать связи с водородом.
Транспортную функцию внутри органов живого организма выполняет тоже это вещество. Все продукты жизнедеятельности клетки выводятся молекулами жидкости. Питательные вещества клеткам доставляют молекулы жидкого вещества, проникая в межклеточное пространство.
Главным компонентом для лимфы и крови является жидкость. Недостаток ее в организме приводит к загустению крови и ломкости сосудов. Местно это выражается в виде тромбозов и кровоизлияний.
Постоянство структуры органов и тканей обеспечивается тем, что она в жидком виде не сжимается, образуя оптимальное внутриклеточное давление и поддерживая структуру клетки.
Постоянная температура внутри организма поддерживается благодаря тому, что молекула жидкости является теплоемкой структурой. Большое количество энергии образуется и при расщеплении жиров, что также служит для поддержки оптимальной температуры.
Роль воды в клетке
Это вещество имеет маленький размер молекул, полярность и способность молекул соединяться друг с другом при помощи водородных связей, что обуславливает ее биологическую роль.
Можно выделить две функции воды с точки зрения биологических процессов:
- Метаболическую. Все биохимические реакции осуществляются в водной среде. При фотосинтезе она служит донором для электронов. Вода необходима для гидролиза макромолекул.
- Транспортную. Передвижение веществ в организме осуществляется посредством жидкости. Также осуществляется и вывод продуктов метаболизма. В природных условиях вода служит для транспортировки к почве и водоемам продуктов жизнедеятельности.
Фотолиз
При фотосинтезе это вещество является источников ионов водорода. При фотосинтезе происходит фотолиз. В переводе с греческого это явление обозначает растворение, распад или разложение с участием света. Фотолиз осуществляется в период световой фазы фотосинтеза, где под действием света молекула этого вещества распадается на ионы.
В результате фотолиза молекула воды распадается на протоны и электроны и выделяет в качестве побочного продукта кислород. Именно этим кислородом и дышат все живые существа на планете.
Биологическая роль воды в клетке