Строение воды

Вода – уникальное вещество и все её аномальные свойства: высокая температура кипения, значительная растворяющая и диссоциирующая способность, малая теплопроводность, высокая теплота испарения и другие обусловлены строением её молекулы и пространственной структурой.

У отдельно взятой молекулы воды есть качество, которое проявляется только в присутствии других молекул: способность образовывать водородные мостики между атомами кислорода двух оказавшихся рядом молекул, так, что атом водорода располагается на отрезке, соединяющем атомы кислорода. Свойство образовывать такие мостики обусловлено наличием особого межмолекулярного взаимодействия, в котором существенную роль играет атом водорода. Это взаимодействие называется водородной связью.

Каждая из присоединённых к данной молекул воды сама способна к присоединению дальнейших молекул. Этот процесс можно называть "полимеризацией". Если только одна из двух возможных связей участвует в присоединении следующей молекулы, а другая остаётся вакантной, то "полимеризация" приведёт к образованию либо зигзагообразной цепи, либо замкнутого кольца. Наименьшее кольцо, по-видимому, может состоять из четырёх молекул, но величина угла 90° делает водородные связи крайне напряжёнными. Практически ненапряжёнными должны быть пятизвенные кольца (угол 108° ), а шестизвенные (угол 120° ), также как и семизвенные – напряжённые.

Рассмотрение реальных структур гидратов показывает, что, действительно, наиболее устойчиво шестизвенное кольцо, находимое в структурах льдов. Плоские кольца являются привилегией клатратных гидратов, причём во всех известных структурах чаще всего встречаются плоские пятизвенные кольца из молекул воды. Они, как правило, чередуются во всех структурах клатратных гидратов с шестизвенными кольцами, очень редко с четырёхзвенными, а в одном случае – с плоским семизвенным.

В целом структура воды представляется как смесь всевозможных гидратных структур, которые могут в ней образоваться.

В прикладном аспекте это, например, имеет важное значение для понимания действия лекарственных веществ. Как было показано Л. Полингом структурированная клатратная форма воды в межсинаптических образованиях мозга обеспечивает, с одной стороны, передачу импульсов с нейрона на нейрон, а, с другой стороны при попадании в эти участки наркозного вещества такая передача нарушается, то есть наблюдается явление наркоза. Гидратация некоторых структур мозга является одной из основ реализации действия наркотических анальгетиков (морфина).

Биологическое значение воды

Вода как растворитель. Вода – превосходный растворитель для полярных веществ. К ним относятся ионные соединения, такие как соли, у которых заряженные частицы (ионы) диссоцииируют в воде, когда вещество растворяется, а также некоторые неионные соединения, например сахара и простые спирты, в молекуле которых присутствуют заряженные (полярные) группы (-OH).

Результаты многочисленных исследований строения растворов электролитов свидетельствуют, что при гидратации ионов в водных растворах основную роль играет ближняя гидратация – взаимодействие ионов с ближайшими к ним молекулами воды. Большой интерес представляет выяснение индивидуальных характеристик ближней гидратации различных ионов, как степени связывания молекул воды в гидратных оболочках, так и степени искажения в этих оболочках тетраэдрической льдоподобной структуры чистой воды – связи в молекуле изменяются на неполный угол. Величина угла зависит от иона.

Когда вещество растворяется, его молекулы или ионы получают возможность двигаться более свободно и, соответственно, его реакционная способность возрастает. По этой причине в клетке большая часть химических реакций протекает в водных растворах. Неполярные вещества, например липиды, не смешиваются с водой и потому могут разделять водные растворы на отдельные компартаменты, подобно тому, как их разделяют мембраны. Неполярные части молекул отталкиваются водой и в её присутствии притягиваются друг к другу, как это бывает, например, когда капельки масла сливаются в более крупные капли; иначе говоря, неполярные молекулы гидрофобны. Подобные гидрофобные взаимодействия играют важную роль в обеспечении стабильности мембран, а также многих белковых молекул, нуклеиновых кислот и других субклеточных структур.

Присущие воде свойства растворителя означают также, что вода служит средой для транспорта различных веществ. Эту роль она выполняет в крови, в лимфатической и экскреторных системах, в пищеварительном тракте и во флоэме и ксилеме растений.

Большая теплоёмкость. Удельной теплоёмкостью воды называют количество теплоты в джоулях, которое необходимо, чтобы поднять температуру 1 кг воды на 1° C. Вода обладает большой теплоёмкостью (4,184 Дж/г). Это значит, что существенное увеличение тепловой энергии вызывает лишь сравнительно небольшое повышение её температуры. Объясняется такое явление тем, что значительная часть этой энергии расходуется на разрыв водородных связей, ограничивающих подвижность молекул воды.

Большая теплоёмкость воды сводит к минимуму происходящие в ней температурные изменения. Благодаря этому биохимические процессы протекают в меньшем интервале температур, с более постоянной скоростью и опасность нарушения этих процессов от резких отклонений температуры грозит им не столь сильно. Вода служит для многих клеток и организмов средой обитания, для которой характерно довольно значительное постоянство условий.

Большая теплота испарения. Скрытая теплота испарения есть мера количества тепловой энергии, которую необходимо сообщить жидкости для её перехода в пар, то есть для преодоления сил молекулярного сцепления в жидкости. Испарение воды требует довольно значительных количеств энергии (2494 Дж/г). Это объясняется существованием водородных связей между молекулами воды. Именно в силу этого температура кипения воды – вещества со столь малыми молекулами – необычно высока.

Энергия, необходимая молекулам воды для испарения, черпается из их окружения. Таким образом, испарение сопровождается охлаждением. Это явление используется у животных при потоотделении, при тепловой одышке у млекопитающих или у некоторых рептилий (например, у крокодилов), которые на солнцепёке сидят с открытым ртом; возможно, оно играет заметную роль и в охлаждении транспирирующих листьев.

Большая теплота плавления. Скрытая теплота плавления есть мера тепловой энергии, необходимой для расплавления твёрдого вещества (льда). Воде для плавления (таяния) необходимо сравнительно большое количество энергии. Справедливо и обратное: при замерзании вода должна отдать большое количество тепловой энергии. Это уменьшает вероятность замерзания содержимого клеток и окружающей их жидкости. Кристаллы льда особенно губительны для живого, когда они образуются внутри клеток.

Плотность и поведение воды вблизи точки замерзания. Плотность воды (максимальна при +4° С) от +4 до 0° С понижается, поэтому лёд легче воды и в воде не тонет. Вода – единственное вещество, обладающее в жидком состоянии большей плотностью, чем в твёрдом, так как структура льда более рыхлая, чем структура жидкой воды.

Поскольку лёд плавает в воде, он образуется при замерзании сначала на её поверхности и лишь под конец в придонных слоях. Если бы замерзание прудов шло в обратном порядке, снизу вверх, то в областях с умеренным или холодным климатом жизнь в пресноводных водоёмах вообще не могла бы существовать. То обстоятельство, что слои воды, температура которых упала ниже 4° С, поднимаются вверх, обусловливает перемешивание воды в больших водоёмах. Вместе с водой циркулируют и находящиеся в ней питательные вещества, благодаря чему водоёмы заселяются живыми организмами на большую глубину.

После проведения ряда экспериментов было установлено, что связанная вода при температуре ниже точки замерзания не переходит в кристаллическую решётку льда. Это энергетически невыгодно, так как вода достаточно прочно связана с гидрофильными участками растворённых молекул. Это находит применение в криомедицине.

Большое поверхностное натяжение и когезия. Когезия – это сцепление молекул физического тела друг с другом под действием сил притяжения. На поверхности жидкости существует поверхностное натяжение – результат действующих между молекулами сил когезии, направленных внутрь. Благодаря поверхностному натяжению жидкость стремится принять такую форму, чтобы площадь её поверхности была минимальной (в идеале – форму шара). Из всех жидкостей самое большое поверхностное натяжение у воды (7,6 · 10-4 Н/м). Значительная когезия, характерная для молекул воды, играет важную роль в живых клетках, а также при движении воды по сосудам ксилемы в растениях. Многие мелкие организмы извлекают для себя пользу из поверхностного натяжения: оно позволяет им удерживаться на воде или скользить по её поверхности.

Вода как реагент. Биологическое значение воды определяется и тем, что она представляет собой один из необходимых метаболитов, то есть участвует в метаболических реакциях. Вода используется, например, в качестве источника водорода в процессе фотосинтеза, а также участвует в реакциях гидролиза.

Свойства воды:

• малые размеры молекулы;

• полярность молекул;

• способность образовывать водородные связи друг с другом.

Функции воды:

• универсальный растворитель для полярных веществ, служит средой для транспорта различных веществ внутри организма;

• теплоёмкость: биохимические процессы идут в малом диапазоне температур;

• большая теплота испарения: используется при терморегуляции у животных (потоотделение) и растений (охлаждение листьев);

• большая теплота плавления: препятствует образованию кристаллов льда в клетках при понижении температуры;

• плотность льда меньше плотности воды: он не тонет, и водоёмы промерзают сверху вниз (в противном случае реки и озера холодных и умеренных поясов промёрзли бы за зиму насквозь);

• поверхностное натяжение: обеспечивает движение воды по капиллярам организмов;

• необходимый компонент метаболических реакций (фотосинтез, гидролиз);

• осморегулятор: обеспечивает внутриклеточное давление на стенку клетки.

Минеральные соли.

Кроме воды, в числе неорганических веществ, входящих в состав клетки, нужно назвать соли, представляющие собой ионные соединения. В водном растворе они диссоциируют с образованием катиона металла и аниона кислотного остатка.

Для процессов жизнедеятельности клетки наиболее важны:

Катионы: K⁺, Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺ .

Анионы: H₂PO₃^-, Cl^- ,HCO₃^2-.

Концентрация ионов на внешней поверхности клетки отличается от их концентрации на внутренней поверхности. На внешней поверхности клеточной мембраны очень высокая концентрация ионов натрия, а на внутренней поверхности высока концентрация ионов калия. Вследствие этого образуется разность потенциалов между внутренней и внешней поверхностью клеточной мембраны, что обусловливает передачу возбуждения по нерву или мышце.

Ионы кальция и магния являются активаторами многих ферментов.

От концентрации солей внутри клетки зависят ее буферные свойства. Буферность – это способность клетки поддерживать слабощелочную реакцию на постоянном уровне. Буферность внутри клетки обеспечивается анионами H₂PO₃^- и HCO₃^2-.

Во внеклеточной жидкости и в крови роль буфера играют Н₂СО₃ и НСО₃^2- .

Анионы слабых кислот и слабые щелочи связывают ионы водорода и гидроксид-ионы, благодаря чему реакция внутри клетки не изменяется.

Соляная кислота создает кислую среду в желудке, ускоряя переваривание белков пищи.

Ионы кальция и фосфора содержатся в костной ткани.

Минеральные соли поступают в клетки организма из внешней среды. Избыток солей вместе с водой выводится из организма во внешнюю среду.

Белки

В клетке содержится много органических соединений. К ним относят биологические полимеры – белки, нуклеиновые кислоты и углеводы, а также жиры и ряд небольших молекул – гормоны, пигменты, аминокислоты, простые углеводы, нуклеотиды и др. После удаления воды, в сухом остатке на 1 месте по содержанию стоят белки. Они составляют 10-20% от сырой массы и 50-80% от сухой массы клетки.

Белки называют также протеинами (греч. protos – первый, главный). Этим названием выделяется первостепенное значение белков для жизненного процесса.

Многие органические соединения, входящие в состав клетки, характеризуются большими размерами молекул. Как называются такие молекулы? (Макромолекулы). Они состоят обычно из повторяющихся сходных по строению низкомолекулярных соединений, связанных между собой ковалентными связями. Их строение можно сравнить с бусинками на нити. Как называются эти составные элементы? (Мономеры). Они образуют полимеры. Большинство полимеров построено из одинаковых мономеров.

Таким образом, белки – это высокомолекулярные полимерные соединения, мономерами которых являются аминокислоты.

В клетке находятся свободные аминокислоты, составляющие аминокислотный фонд, за счет которого происходит синтез новых белков. Этот фонд пополняется аминокислотами, постоянно поступающими в клетку вследствие расщепления белков пищи пищеварительными ферментами или собственных запасных белков. Природных аминокислот – 150, в белки входят – 20. 8 из них – незаменимые, т.е. они не способны синтезироваться в организме человека, но поступают в него с растительной пищей. И соответственно 12 – заменимые, образуемые в организме.

В организме человека встречается 5 млн типов белковых молекул, отличающихся не только друг от друга, но и от белков других организмов. Такое разнообразие обеспечивается сочетанием всего лишь 20 разных аминокислот, составляющих несколько сотен, а иногда и тысяч комбинаций. Теоретически из 20 аминокислот можно составить 2 _* 10¹⁸ вариантов белковых молекул, различающихся порядком чередования аминокислот, а значит формой, и свойствами.

Форма белковых молекул может быть спиралевидной, складчатой, шарообразной.

Уровни организации белковой молекулы

Таким образом, каждый белок имеет очень сложную структуру. Выделяют первичную, вторичную, третичную, четвертичную структуры.

Последовательность аминокислот в полипептидной цепи принято называть первичной структурой белка.

Вторичная структура – спираль с одинаковым расстоянием между витками (α-структура) или складчатый слой в виде «гармошки» (β-структура), образованная путем возникновения водородных связей.

Третичная структура – клубок из полипептидной спирали.

Четвертичная структура – структура из нескольких полипептидных цепей.

Процесс утраты белковой молекулой своей структурной организации называется денатурацией.

Процесс восстановления структурной организации белковой молекулы называется ренатурацией.

Функции белков:

1. Структурная. Белки участвуют в образовании всех клеточных мембран и органоидов клетки, а так же внеклеточных структур. Образуют покровные, мышечные ткани. Например, коллаген кожи. Натуральный коллаген со временем уменьшается и исчезает, что приводит к образованию морщин. Впрыскиванием коллагена в верхний слой кожи коллаген возмещается. Почти все мелкие и крупные морщины можно корректировать этой терапией.

2. Транспортная. Гемоглобин крови, осуществляет перенос кислорода к клеткам и удаляет углекислый газ.

3. Ферментативная (каталитическая) – способность белков ускорять в организме те или иные химические процессы.

– амилазы, катализирующие расщепление крахмала на мелкие части сложных сахаров и на отдельные растворимые сахара; – протеазы, расщепляющие белки на составляющие их аминокислоты; – липазы, расщепляющие животные и растительные жиры на составные части: глицерин и жирные кислоты;

Современное название ферментов – энзимы.

4. Защитная – выработка антител при попадании болезнетворных микробов.

При прививках в организм вводится ослабленная или убитая культура бактерий, и в ответ на это вырабатываются антитела. Они и защищают организм от заболевания при попадании настоящих болезнетворных бактерий. Защитная реакция наблюдается и при трансплантации. Это грозное явление отторжения чужеродной ткани до сих пор ограничивает возможности лечения ряда заболеваний.  Выработка иммунитета – это важная защитная функция белка. 

5. Регуляторная или гормональная. Гормоны – это биологически активные вещества, вырабатываемые железами внутренней секреции. Гормоны имеют белковую природу, т.е. по своему химическому составу представляют собой белки.

6. Двигательная функция обеспечивается специальными сократительными белками. Эти белки участвуют во всех видах движения, известных в природе: образование ложноножек у амеб, мерцание ресничек и биение жгутиков у простейших, сокращение мышц у многоклеточных животных. Белки актин и миозин – образуют мышечную ткань животных и человека.

7. Еще одна функция белка – запасающая.

К запасным белкам относят альбумин – белок яйца, казеин – белок молока. 

8. Энергетическая. При недостатке углеводов или жиров окисляются молекулы аминокислот. Освободившаяся при этом энергия используется на поддержание процессов жизнедеятельности организма. При полном расщеплении 1 г белка выделяется 17, 6 кДж энергии.

Углеводы

В составе большинства углеводов число молекул воды вдвое превышает количество атомов углерода, поэтому они были так названы. Иное название углеводов – сахариды.

В животной клетке углеводов содержится всего 1-2%, иногда до 5%, в растительных же клетках их содержание может достигать до 90% (клубни картофеля, семена растений и т.д.).