Контрольные вопросы

1. Охарактеризуйте химический состав клетки.

2. Охарактеризуйте элементы 1 группы.

3. Охарактеризуйте элементы 2 группы.

4. Дайте определение клетки.

5. Чем по строению отличаются друг от друга клетка животного и клетка растения?

2. Вода - самое распространенное соединение в живых организмах

Вода является наиболее широко распространенным веществом в живой природе, и ее весовое содержание в большинстве живых организмов составляет 70 % и более. Например, медузы, огурцы и арбузы состоят на 98 % из воды, костные и жировые клетки на 60 %. Количество воды зависит от возраста клетки – в молодых больше, а также зависит от активности клетки (в нервных больше, чем в жировых).

Для водных организмов характерна чрезвычайная приспособленность к воде, поскольку высокая теплоемкость воды представляет собой непрерывно действующий «тепловой» буфер, который обеспечивает постоянную температуру тела независимо от температуры воздуха. На молекулярном уровне у наземных и водных животных, равно как и у растений, вода определяет ряд важных свойств макромолекул.

В теле человека вода составляет 60 %, из которой 40 % приходится на внутриклеточную, а 20 % – на экстраклеточную воду. Плазма крови содержит 5 % экстраклеточной воды (рис. 3).

Вода имеет исключительно важное значение для жизнедеятельности клеток, представляя собой среду, в которой осуществляются важнейшие реакции, лежащие в основе синтеза и распада биомолекул.

Рис. 3. Схема содержания воды в организме человека:

1 – внутриклеточная- 40 %, 2 – межклеточная - 15 %,

3 – плазма - 5 %, 4 – сухой остаток - 40 %

Кроме того, она является растворителем различных химических веществ. Вещества, хорошо растворимые в воде, получили название гидрофильных (от греч. hydros - вода, phileo - люблю), плохо растворимые называют гидрофобными (от греч. hydros- вода, phobos - боязнь). В воде хорошо растворяются хлористый натрий, сахара, простые спирты, альдегиды, кетоны. Под влиянием растворенных веществ вода может изменять свои свойства, в частности, могут изменяться температура замерзания, температура кипения, давление пара и осмотическое давление воды. Эта особенность воды имеет очень важное биологическое значение. Например, рыбы в пресной воде при температуре ее замерзания сохраняют свою активность, причем по той причине, что концентрация веществ, растворенных в крови рыб, является большей, чем в чистой воде, и это исключает переохлаждение, а затем и замерзание их крови.

Для воды характерно то, что она обладает некоторой способностью к обратимой ионизации, в ходе которой она распадается на ионы водорода (Н⁺) и ионы гидроксила (ОН^-).

Для изменения концентрации ионов Н⁺ в любом водном растворе используют шкалу рН, с помощью которой обозначают концентрацию водородных ионов (Н⁺) в водных растворах, кислотность которых находится между 1,0 МН⁺ и 1,0 МОН^-. Так, значение рН для нейтрального раствора составляет 7,0, тогда как растворы, имеющие рН выше 7,0 – это щелочные растворы, а меньше 7,0 – это кислые растворы. Например, рН питьевой воды составляет 9,0, нашатырного спирта – 12,0, черного кофе – 5,0 лимонного сока – 2,0, а желудочного сока – 1,0. Величины рН характерны для всех внутриклеточных и внеклеточных жидкостей в организме, причем постоянство концентрации водородных ионов поддерживается буферными системами, которые у млекопитающих представлены фосфатной и бикарбонатной системами. Величины рН всех жидкостей организмов исключительно постоянны. Их изменения чрезвычайно неблагоприятны для организмов, поскольку даже небольшие сдвиги рН характеризуются значительным падением каталитической активности ферментов.

В воде под влиянием ферментов происходят реакции гидролиза (от греч. hydros - вода, lysis - расщепление) белков и других соединений. Вода принимает участие также в выведении из клеток продуктов обмена. Наконец, она поддерживает тепловой режим клетки.

Кроме того, первые живые организмы возникли, вероятнее всего, в первичном океане, так что вода – это по существу прародительница всего живого. Вода заполняет все составные части каждой живой клетки, и именно она представляет собой ту среду, в которой осуществляются транспорт питательных веществ, катализируемые ферментами метаболические реакции и перенос химической энергии. Поэтому все структурные элементы живой клетки и их функции обязательно должны быть приспособлены к физическим и химическим свойствам воды. Более того, клетки научились использовать уникальные свойства воды для реализации некоторых процессов их жизнедеятельности.

Часто мы рассматриваем воду просто как безвредную инертную жидкость, удобную для практического использования в разных целях. Хотя в химическом отношении вода весьма устойчива, она представляет собой вещество с довольно необычными свойствами. В самом деле, вода и продукты ее ионизации - ионы Н ⁺ и ОН - оказывают очень большое влияние на свойства многих важных компонентов клетки, таких как ферменты, белки, нуклеиновые кислоты и липиды. Например, каталитическая активность ферментов в значительной мере зависит от концентрации ионов Н⁺ и ОН^-.

Уникальные свойства позволили воде играть в клетке роль растворителя, терморегулятора, а также поддерживать структуру клеток и осуществлять транспортировку веществ.

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 водородных связей.

Водородная связь определяет уникальные 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.