Роль и функции воды в процессе жизнедеятельности

Вода в жизни организмов играет важнейшую роль. Так выясне­но, что полная утрата жиров и понижение наполовину содержания бел­ков в организме в результате голодания не столь опасны, как потеря воды. При отсутствии питья человек погибает через несколько суток в результате дегидратации тканей, когда общее количество воды в орга­низме уменьшается на 10 -12%.

В силу особенностей физико-химических свойств вода имеет следующие биологические функции:

1. Вода - растворитель и стабилизатор растворенных био­логических молекул и ионов. В силу своей полярности молекулы воды способны объединяться в структурные агрегаты за счёт возникновения водородных связей. Образуются ассоциаты, состоящие, как минимум из пяти молекул воды (рис.41). Так как при движении молекул воды водо­родные связи быстро рвутся, ассоциаты могут разрушаться. Поэтому ме­жду отдельными молекулами воды и ассоциатами существует равнове­сие.

Рис.41. Схема образования ассоциатов из молекул воды

Высокая полярность молекул воды объясняет её высокую ди­электрическую проницаемость по сравнению с другими веществами. Для Н₂О она равна 80, а, например, для такого хорошего растворителя как этанол - 24. Это значит, что силы сцепления в веществе, помещённом в воду, ослабляются в 3,5 раза больше, чем в этаноле. Поэтому вода - прекрасный растворитель. Вещества в водном растворе имеют водную или гидратную оболочку, которая образуется в результате взаимодейст­вия дипольных молекул Н₂О с заряженными группами макромолекул или ионов. Чем больше гидратная оболочка, тем лучше растворимо вещест­во. Все неорганические и органические соединения, диссоциирующие на ионы, все биологические мономеры (аминокислоты, нуклеотиды, моноса­хариды, глицерин), все биополимеры (белки, нуклеиновые кислоты, по­лисахариды), имеющие полярные группы, растворимы в воде. Так, в про­стейшей бактериальной клетке на одну молекулу нуклеиновой кислоты приходится около миллиона, на одну белковую молекулу - примерно десять тысяч молекул воды. Молекулы, содержащие неполярные цепи или отдельные группы, плохо растворимы или нерастворимы в Н₂О (выс­шие жирные кислоты, жиры, стероиды и др.).

2. Вода - регулятор теплового баланса организма (сохранение, распределение и отдача тепла). Образованием ассоциатов объясня­ются аномально высокие температуры кипения, плавления и высокая теплоёмкость воды. Если бы молекулы воды не объединялись в ассоциаты, то, согласно положению кислорода в периодической системе, t кипения его гидрида была бы равна -80°С, a t затвердевания -100°С, т.е. нормальное состояние воды в условиях Земли было бы газообразным жизнь была бы невозможна.

Теплоемкость Н₂О более чем в два раза превышает теплоемкость любого биологического вещества. Поэтому Н₂О может долго сохранять тепло при изменении температуры окружающей среды и переносить его на расстояния, что важно для поддержания температуры организма.

3. Транспортная функция. Низкая вязкость, подвижность, уникальная стюсобность растворять большое число неорганических и органических соединений обусловливают транспортную функцию Н₂О. Она же служит для выведения из организма продуктов распада. Транс­порт веществ осуществляется как в больших масштабах - по кровеносной и лимфатической системе, так и в малых масштабах - через клеточные и внутриклеточные мембраны. Большое поверхностное натяжение воды обеспечивает капиллярные явления, т.е. поднятие воды с растворёнными в ней веществами от корня растения по тонким каналам к побегам и, наоборот, от листьев к нижним частям растений (транслирация).

4. Вода выполняет механическую (гидратациоиную) функ­цию, т.е. способствует сохранению внутриклеточного давления и формы клеток (туpгop).

5. Структурная функция воды. Например, взаимодействие белков с водой обеспечивает их комформацию с преимущественным рас­положением гидрофильных групп на поверхности белковой глобулы, а гидрофобных - внутри. Ещё большее значение имеет вода для структур­ной организации биологических мембран и их основы - двойного липидного слоя, в котором гидрофильные поверхности каждого монослоя взаимодействуют с водой, отграничивая от неё гидрофобное пространст­во внутри мембраны, между монослоями. Вместе с другими соединениями она участвует в качестве основного компонента в формировании единой внутриклеточной структуры. Будучи составной частью субклеточных структур, она может регулировать их функциональную активность: на­пример, от степени набухания митохондрий зависит активность протека­ния в них окислительного фссфорилирования, от насыщения водой рибосом - поддержание их структур и способности осуществлять синтез белка.

6. Синтетическая функция. Вода - непосредственный участ­ник многих химических реакций. При этом она может играть как анабо­лическую роль (реакции гидратации и дегидратации, окисления и другие реакции синтеза), так и катаболическую (реакции гидролиза).

7. Электронодонорная или энергетическая функция во­ды. Например, вода - источник электронов при трансформации энергии в хлоропластах.