Воды больше в клетках человека. Водный обмен растительной клетки. Что такое теплопроводность и теплоёмкость воды
1. Какое строение имеет вода?
Ответ. Молекула воды имеет угловое строение: входящие в её состав ядра образуют равнобедренный треугольник, в основании которого находятся два водорода, а в вершине – атом кислорода. Межъядерные расстояния О-Н близки к 0,1 нм, расстояние между ядрами атомов водорода равно 0,15 нм. Из шести электронов, составляющих внешний электронный слой атома кислорода в молекуле воды, две электронные пары образуют ковалентные связи О-Н, а остальные четыре электрона представляют собой две неподелёные электронные пары.
Это условие и фактически участвует в движениях, от которых зависят биомолекулярные взаимодействия. Он является источником одной из ключевых сил, которые диктуют макромолекулярные конформации и ассоциации, а именно гидрофобное притяжение. Он формирует необычный диапазон структур, большинство из которых являются переходными, которые помогают химическим и информационным процессам передачи в клетке. Он действует как реактивный нуклеофил и донор и акцептор протонов, он опосредует электростатические взаимодействия, и он подвергается колебаниям и резким изменениям фазового перехода, которые служат биологическим функциям.
Молекула воды представляет собой маленький диполь, содержащий положительный и отрицательный заряды на полюсах. Около ядер водорода имеется недостаток электронной плотности, а на противоположной стороне молекулы, около ядра кислорода, наблюдается избыток электронной плотности. Именно такая структура и определяет полярность молекулы воды.
Разве не удивительно, что одно и, по-видимому, довольно простое молекулярное вещество может выполнить все эти вещи? Посмотрев на это, похоже, что-то особенное в воде. Кроме того, они являются лишь молекулярными и наноскопическими ролями. Контроль за водным транспортом и осмосом, смачивающими свойствами, регулированием тепла и другими факторами важен в масштабах от клеточного до организма, а также от целых экосистем и мест обитания. Вода никогда не бывает далека от поверхности жизни.
В то время как вода в камере традиционно считалась фоном - удобно опускаясь из красочных ленточных диаграмм биомолекулярных структур - альтернативная школа мысли присуждала воде квазистистическую роль как средство жизни. Однако мы также не можем предположить, что вода в клетке такая же, как чистая, объемная жидкая вода. Обычно считается, что эта «медленная вода» каким-то образом участвует в гидратирующих макромолекулах и других цитоплазматических растворах. Тем не менее, дьявол находится в деталях, и распределение воды в клетках с мечеными «связанными» и «свободными», или «медленными» и «объемными», мало что дает для выяснения функций, которые она выполняет.
2. Какое количество воды (в %) содержится в различных клетках?
Количество воды неодинаково в разных тканях и органах. Так, у человека в сером веществе головного мозга ее содержание составляет 85 %, а в костной ткани - 22 %. Наибольшее содержание воды в организме наблюдается в эмбриональный период (95 %) и с возрастом постепенно уменьшается.
Роль водя для растений
Даже сама природа жидкой воды была вызвана спорами и спорами. Жидкая вода образует флуктуирующую сеть водородных связей, но каждая связь имеет средний срок службы вокруг пикосекунды. Такие кольцевые структуры создают достаточно много свободного пространства внутри сети, давая льду более низкую плотность, чем жидкость, в которой дефекты в сети могут позволить молекулам проникать в свободное пространство. По сути, структура воды может рассматриваться как компромисс между ледяными открытыми сетями и жидкостной случайной закрытой упаковкой.
Содержание воды в различных органах растений колеблется в довольно широких пределах. Оно изменяется в зависимости от условий внешней среды, возраста и вида растений. Так, содержание воды в листьях салата составляет 93-95%, кукурузы - 75-77%. Количество воды неодинаково в разных органах растений: в листьях подсолнечника воды содержится 80-83%, в стеблях - 87-89%, в корнях - 73-75%. Содержание воды, равное 6-11%, характерно главным образом для воздушно-сухих семян, в которых процессы жизнедеятельности заторможены. Вода содержится в живых клетках, в мертвых элементах ксилемы и в межклетниках. В межклетниках вода находится в парообразном состоянии. Основными испаряющими органами растения являются листья. В связи с этим естественно, что наибольшее количество воды заполняет межклетники листьев. В жидком состоянии вода находится в различных частях клетки: клеточной оболочке, вакуоли, цитоплазме. Вакуоли - наиболее богатая водой часть клетки, где содержание ее достигает 98%. При наибольшей оводненности содержание воды в цитоплазме составляет 95%. Наименьшее содержание воды характерно для клеточных оболочек. Количественное определение содержания воды в клеточных оболочках затруднено; по-видимому, оно колеблется от 30 до 50%. Формы воды в разных частях растительной клетки также различны.
Термодинамика сольватации в воде, как правило, определяется балансом между энтальпийными водными и водно-растворенными взаимодействиями и энтропийными последствиями формирования и разрушения относительно упорядоченных водородных сетей, обусловленных геометрическими факторами интерфейсов и, возможно, микросредой.
В частности, много клеточной воды в определенной степени ограничено или ограничено. Среднее расстояние между макромолекулами в цитоплазме составляет около 1 нм, что соответствует только трем-четырем молекулярным слоям воды, которые, просто на основе классической теории сольватации, не могут рассматриваться как объемные. Присутствие растворенного вещества обычно изменяет водородную связь. Для больших поверхностей, таких как белки, усечение водородных связей неизбежно. На гидрофильных поверхностях молекулы воды могут взаимодействовать с водородными связями с поверхностными группами, такими как кислые остатки в белках.
3. Какова роль воды в живых организмах?
Ответ. Вода - преобладающий компонент всех живых организмов. Она обладает уникальными свойствами благодаря особенностям строения: молекулы воды имеют форму диполя и между ними образуются водородные связи. Среднее содержание воды в клетках большинства живых организмов составляет около 70%. Вода в клетке присутствует в двух формах: свободной (95% всей воды клетки) и связанной (4-5% связаны с белками) .
На гидрофобных поверхностях, тем не менее, можно считать, что вода образует структуры, которые сохраняют как можно больше водородных связей. Он также поддерживает самосборку липидных мембран, и сопоставление гидрофобных поверхностей часто наблюдается при связывании белок-лиганд. Не будет преувеличением сказать, что гидрофобные взаимодействия являются доминирующей силой в молекулярной биологии.
В любом случае, есть веские основания полагать, что гидрофобное взаимодействие не является ни одним явлением. Здесь опорожнение пор предотвращает перенос ионов не стерильно, а из-за чрезмерной стоимости обезвоживания ионов в сухой среде. Должно быть предостережение: нет очевидной причины думать, что сольвофобные эффекты, такие как переходы сушки, специфичны для воды. Могут ли энтальпические и энтропийные последствия способности воды образовывать относительно структурированные водородные связи в небольших кластерах и полостях, например, особенно чувствительны к геометрии конфайнмента?
Функции воды:
1.Вода как растворитель. Многие химические реакции в клетке являются ионными, поэтому протекают только в водной среде. Вещества, растворяющиеся в воде, называются гидрофильными (спирты, сахара, альдегиды, аминокислоты), не растворяющиеся - гидрофобными (жирные кислоты, целлюлоза).
2.Вода как реагент. Вода участвует во многих химических реакциях: реакциях полимеризации, гидролиза, в процессе фотосинтеза.
Что такое теплопроводность и теплоёмкость воды?
Насколько особенной, действительно, является вода, способная опосредовать эти макромолекулярные взаимодействия? Возможно, мы еще не сможем дать окончательный ответ на этот вопрос, но теперь у нас есть лучший смысл, где его искать. По мере того, как эти случаи уже проясняются, мы будем немного понимать о воде в молекулярной биологии на том основании, что биомолекулы окружены некоторой расплывчатой оболочкой воды для гидратации. Необходимо иметь подробное, возможно, атомное разрешение, где находятся молекулы воды и как они сочетаются друг с другом.
3.Транспортная функция. Передвижение по организму вместе с водой растворенных в ней веществ к различным его частям и выведение ненужных продуктов из организма.
4.Вода как термостабилизатор и терморегулятор. Эта функция обусловлена такими свойствами воды, как высокая теплоемкость - смягчает влияние на организм значительных перепадов температуры в окружающей среде; высокая теплопроводность - позволяет организму поддерживать одинаковую температуру во всем его объеме; высокая теплота испарения - используется для охлаждения организма при потоотделении у млекопитающих и транспирации у растений.
Низкочастотные моды с большой амплитудой в терагерцовом диапазоне особенно важны для контроля конформационных изменений, которые доминируют в функции белка, и удобно зондируются с использованием терагерцовой спектроскопии. Иерархия временных шкал для движений белков и их среды гидратации.
Общая картина, которая возникает, однако, такова, что молекулы воды участвуют в среде гидратации с очень широким диапазоном времени пребывания и динамики, которые могут быть как быстрее, так и медленнее, чем объем. В общем, гидрационные воды на поверхности белков, подверженных воздействию растворителей, имеют время пребывания в течение нескольких пикосекунд, но те, которые находятся в глубоко вогнутых щелях и внутренних полостях, могут быть намного более долговечными до нескольких микросекунд - перед тем, как обмениваться с массой.
5.Структурная функция. Цитоплазма клеток содержит от 60 до 95 % воды, и именно она придает клеткам их нормальную форму. У растений вода поддерживает тургор (упругость эндоплазматической мембраны) , у некоторых животных служит гидростатическим скелетом (медузы)
Вопросы после § 7
1. В чём особенность строения молекулы воды?
Ориентационная релаксация также часто замедляется в оболочке гидратации. Последние молекулы снова, как правило, расположены во впадинах на поверхности белка, и они делают меньше водородных связей с окружающими водами, чем молекулы в объеме. Кроме того, воды вблизи гидрофобных групп в среднем медленнее, чем вблизи гидрофильных групп.
Время переориентации воды, наблюдаемое при моделировании нативного и неправильно скопленного α-лактальбумина коровы. Этот вывод был интерпретирован как признак того, что динамика определяется довольно общими чертами поверхностной химии и топологии, которые вызывают исключенные объемные эффекты и препятствуют приближению новых акцепторов водородной связи в гидратной сети.
Ответ. Уникальные свойства воды определяются структурой её молекулы. Молекула воды состоит из атома О, связанного с двумя атомами Н полярными ковалентными связями. Характерное расположение электронов в молекуле воды придаёт ей электрическую асимметрию. Более электроотрицательный атом кислорода притягивает электроны атомов водорода сильнее, в результате общие пары электронов смещены в молекуле воды в его сторону. Поэтому, хотя молекула воды в целом не заряжена, каждый из двух атомов водорода обладает частично положительным зарядом (обозначаемым 8+), а атом кислорода несёт частично отрицательный заряд (8-). Молекула воды поляризована и является диполем (имеет два полюса).
Короче говоря, динамика должна сотрудничать со структурой, чтобы выполнить свою работу. Было несколько более медленное, но в настоящее время широкое признание того, что динамическое поведение биологических макромолекул вообще и белков в частности не может быть отделено от того, что связано с его растворителем. С одной точки зрения, динамические степени свободы в колебаниях питания оболочки гидратации, которые помогают белкам претерпевать конформационные сдвиги, вызванные их химической функцией.
Как вода для гидратации помогает белковой функции
Молекулы гидратирующей воды могут принимать кристаллографически четко определенные положения вокруг макромолекулы, а некоторые из них имеют функциональные роли. Примерами того, как молекулы воды и сети на поверхности белка могут помочь в ее распознавании и каталитических функциях, являются легионы; можно было бы разумно заподозрить, что белки обрабатывают воду как ресурс, который будет использоваться в любое удобное время. Например, молекулы воды могут опосредовать взаимодействия между белком и субстратом либо для увеличения селективности, либо для распознавания нескольких субстратов.
Частично отрицательный заряд атома кислорода одной молекулы воды притягивается частично положительными атомами водорода других молекул. Таким образом, каждая молекула воды стремится связаться водородной связью с четырьмя соседними молекулами воды.
2. Каково значение воды как растворителя?
Ответ. Благодаря полярности молекул и способности образовывать водородные связи вода легко растворяет ионные соединения (соли, кислоты, основания). Хорошо растворяются в воде и некоторые неионные, но полярные соединения, т. е. в молекуле которых присутствуют заряженные (полярные) группы, например сахара, простые спирты, аминокислоты. Вещества, хорошо растворимые в воде, называются гидрофильными (от греч. hygros – влажный и philia – дружба, склонность). Когда вещество переходит в раствор, его молекулы или ионы могут двигаться более свободно и, следовательно, реакционная способность вещества возрастает. Это объясняет, почему вода является основной средой, в которой протекает большинство химических реакций, а все реакции гидролиза и многочисленные окислительно-восстановительные реакции идут при непосредственном участии воды.
Пожертвование и транслокация Протона
Они могут передавать конформационные изменения из одного места в другое; они могут выступать в качестве каналов для протонной проводимости или обеспечивать донор, акцептор и хранилища протонов. Этот перенос может происходить пассивным образом, но он также может быть активным, динамичным и контролироваться движениями белков. Здесь переходный протонопроводный водный канал образован совместным гидратацией трех антипортерподобных субъединиц внутри мембранного домена комплекса.
Считается, что глутаматный остаток действует как временный донор протонов, а его сродство к протону контролируется степенью гидратации во внутренней гидрофобной полости. Эта гидратация, в свою очередь, регулируется протонированием заместителя в группе гема 10 Å, вызывая движение петли, которая вращает вход полости.
Вещества, плохо или вовсе нерастворимые в воде, называются гидрофобными (от греч. phobos – страх). К ним относятся жиры, нуклеиновые кислоты, некоторые белки и полисахариды. Такие вещества могут образовывать с водой поверхности раздела, на которых протекают многие химические реакции. Следовательно, тот факт, что вода не растворяет неполярные вещества, для живых организмов также очень важен. К числу важных в физиологическом отношении свойств воды относится её способность растворять газы (О2, СО2 и др.).
Кажется, что эти воды предлагают несколько водородных каналов для транспортировки протонов и целых молекул воды для фотолиза. На одном из этапов цикла генерации кислорода водородный кластер молекул воды на этом участке действует как акцептор каталитического протона, место хранения и донор: пример связанной воды, служащей в качестве реакционноспособного химического субстрата.
Такая изысканная оркестровка гидратной воды белком для контроля реакций протонирования может оказаться довольно распространенной. Расположение гидрофобных и гидрофильных остатков вокруг водного кластера, по-видимому, действует как «ловушка для воды», чтобы гарантировать, что эти воды имеют длительное время пребывания.
3. Что такое теплопроводность и теплоёмкость воды?
Ответ. Вода обладает высокой теплоёмкостью, т. е. способностью поглощать тепловую энергию при минимальном повышении собственной температуры. Большая теплоёмкость воды защищает ткани организма от быстрого и сильного повышения температуры. Многие организмы охлаждаются, испаряя воду (транспирация у растений, потоотделение у животных).
Помимо таких непосредственных взаимодействий молекул воды в активном центре, гидратационные сети могут участвовать в аллостерических конформационных сдвигах. Эти два изменения в гидратации связаны, создавая своего рода «гидравлический» механизм для крупномасштабных конформационных изменений.
Точная настройка белковой среды посредством изменений гидратации
Вставив в связывающую канавку белка азобензольный фотодвигатель, они могут контролировать конформационные изменения посредством фотоиндуцированной изомеризации, открывая эту канавку почти таким же образом, как и при лигандном связывании. Вода может помочь в тонкой настройке функциональности белка различными способами. Кажется, например, чтобы позволить расщепление щелочных фосфатазных ферментов катализировать гидролиз ряда различных фосфатных и сульфатных субстратов. Здесь тонкие перестройки вод и ионов происходят вблизи хромофора по мере продвижения хлоридов, вызывая изменения длин хромофорной связи, которые влияют на его спектр поглощения.
4. Почему считают, что вода является идеальной жидкостью для клетки?
Ответ. Высокое содержание воды в клетке - важнейшее условие ее деятельности. При потере большей части воды многие организмы гибнут, а ряд одноклеточных и даже многоклеточных организмов временно утрачивает все признаки жизни. Такое состояние называется анабиозом. После увлажнения клетки пробуждаются и становятся вновь активными.
Молекула воды электронейтральна. Но электрический заряд внутри молекулы распределен неравномерно: в области атомов водорода (точнее, протонов) преобладает положительный заряд, в области, где расположен кислород, выше плотность отрицательного заряда. Следовательно, частица воды - это диполь. 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. Способностью воды образовывать гидраты обусловлены ее универсальные растворяющие свойства. Если энергия притяжения молекул воды к молекулам какого-либо вещества больше, чем энергия притяжения между молекулами воды, то вещество растворяется. В зависимости от этого различают гидрофильные (греч. hydros - вода и phileo - люблю) вещества, хорошо растворимые в воде (например, соли, щелочи, кислоты др.), и гидрофобные (греч. hydros - вода и phobos - боязнь) вещества, трудно или вовсе не растворимые в воде (жиры, жироподобные вещества, каучук и др.). В состав клеточных мембран входят жироподобные вещества, ограничивающие переход из наружной среды в клетки и обратно, а также из одних частей клетки в другие.
Большинство реакций, протекающих в клетке, могут идти только в водном растворе. Вода - непосредственный участник многих реакций. Например, расщепление белков, углеводов и других веществ происходит в результате катализируемого ферментами взаимодействия их с водой. Такие реакции называются реакциями гидролиза (греч. hydros - вода и lysis - расщепление).
Вода имеет высокую теплоемкость и одновременно относительно высокую для жидкостей теплопроводность. Эти свойства делают воду идеальной жидкостью для поддержания теплового равновесия клетки и организма.
Вода - основная среда для протекания биохимических реакций клетки. Она источник кислорода, выделяемого при фотосинтезе, и водорода, который используется для восстановления продуктов ассимиляции углекислого газа. И наконец, вода - основное средство передвижения веществ в организме (ток крови и лимфы, восходящие и нисходящие токи растворов по сосудам у растений) и в клетке.
5. Какова роль воды в клетке
Обеспечение упругости клетки. Последствия потери клеткой воды увядание листьев, высыхание плодов;
Ускорение химических реакций за счет растворения веществ в воде;
Обеспечение перемещения веществ: поступление большинства веществ в клетку и удаление их из клетки в виде растворов;
Обеспечение растворения многих химических веществ (ряда солей, сахаров);
Участие в ряде химических реакций;
Участие в процессе теплорегуляции благодаря способности к медленному нагреванию и медленному остыванию.
6. Какие структурные и физико-химические свойства воды определяют её биологическую роль в клетке?
Ответ. Структурные физико-химические свойства воды определяют ее биологические функции.
Вода является хорошим растворителем. Благодаря полярности молекул и способности образовывать водородные связи вода легко растворяет ионные соединения (соли, кислоты, основания).
Вода обладает высокой теплоёмкостью, т. е. способностью поглощать тепловую энергию при минимальном повышении собственной температуры. Большая теплоёмкость воды защищает ткани организма от быстрого и сильного повышения температуры. Многие организмы охлаждаются, испаряя воду (транспирация у растений, потоотделение у животных).
Вода обладает также высокой теплопроводностью, обеспечивая равномерное распределение тепла по всему организму. Следовательно, высокая удельная теплоёмкость и высокая теплопроводность делают воду идеальной жидкостью для поддержания теплового равновесия клетки и организма.
Вода практически не сжимается, создавая тургорное давление, определяя объём и упругость клеток и тканей. Так, именно гидростатический скелет поддерживает форму у круглых червей, медуз и других организмов.
Вода характеризуется оптимальным для биологических систем значением силы поверхностного натяжения, которое возникает благодаря образованию водородных связей между молекулами воды и молекулами других веществ. Благодаря силе поверхностного натяжения происходит капиллярный кровоток, восходящий и нисходящий токи растворов в растениях.
В определенных биохимических процессах вода выступает в качестве субстрата.
Тестовые задания по теме
«НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА КЛЕТКИ»
Выберите один правильный ответ из предложенных вариантов:
1.
Какие химические элементы, содержащиеся в клетке, относят к макроэлементам?
а) Zn , I, F, Br;
в) Ni, Cu, I, Br.
г) Au, Ag, Ra, U.
2.
Каковы функции воды в клетке?
в) источник энергии.
г) передача нервного импульса
3.
Какие ионы входят в состав гемоглобина?
а) Mg 2+ ;
4. Передача возбуждения по нерву или мышце объясняется:
а) разностью концентраций ионов натрия и калия внутри и вне клетки
б) разрывом водородных связей между молекулами воды
в) изменением концентрации водородных ионов
г) теплопроводностью воды
5 . Из перечисленных веществ является гидрофильными:
а) крахмал
г) целлюлоза
6. В состав молекулы хлорофилла входят ионы
г) Na +
7.
Одновременно входит в состав костной ткани и нуклеиновых кислот:
б) фосфор
в) кальций
8 . У детей развивается рахит при недостатке:
а) марганца и железа
б) кальция и фосфора
в) меди и цинка
г) серы и азота
9 . В состав желудочного сока входит:
10.
Больше всего воды содержится в клетках:
а) эмбриона;
б) молодого человека;
в) старика.
г) взрослого человека
11.
Какие химические элементы, содержащиеся в клетке, относят к микроэлементам?
а) S, Na, Ca, K;
в) Ni, Cu, I, Br.
г) Р, S, Cl, Nа
12.
В состав желудочного сока входит
а) серная кислота;
б) соляная кислота;
в) угольная кислота.
г) фосфорная кислота
13.
Каковы функции минеральных веществ в клетке?
а) передача наследственной информации;
б) среда для химических реакций;
в) источник энергии;
г) поддержание осмотического давления клетки.
14.
Какие ионы влияют на свёртываемость крови?
а) Mg 2+ ;
15 . Железо входит в состав:
в) гемоглобина
г) хлорофилла
16.
Меньше воды содержится в клетках:
а) костной ткани;
б) нервной ткани;
в) мышечной ткани.
г) жировой ткани
17.
Вещества, плохо растворимые в воде, называются:
а) гидрофильными;
б) гидрофобными;
в) амфифильными.
г) амфотерными
18.
Буферность в клетке обеспечивают ионы:
а) Na + , K + ;
б) SO 4 2- , Cl - ;
в) HCO 3 - , CO 3 2-.
г) Mg 2+ ; Fe 2+
19.
Вода – основа жизни, т.к. она:
а) может находиться в трех состояниях (жидком, твердом и газообразном);
б) является растворителем, обеспечивающим как приток веществ в клетку, так и удаление из нее продуктов обмена;
в) охлаждает поверхность при испарении.
г) обладает свойством теплопроводности
20 . Из перечисленных веществ является гидрофобным:
г) перманганат калия
Эталоны ответов
