Материал: Биомолекулы. свойства, роль в биохимии человека, технологии получения. Хорохордина Е.А., Рудаков О.Б

Строение клетки является одним из важных принципов классификации организмов. В последующих параграфах мы сначала рассмотрим структуры, общие для растительных и животных клеток, затем характерные особенности клеток растений и доядерных организмов. Закончится этот раздел рассмотрением принципов деления клетки.

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.

Участие в химических реакциях

Вода в качестве реагента участвует во многих химических реакциях:

• В ходе фотосинтеза у растений происходит фотолиз воды - водород из состава воды входит в органические вещества, а свободный кислород выделяется 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, обеспечивающая нужды клетки.

• При гидролизе солей вода является источником протонов и электронов.

Поддержание структуры клеток

Вода практически не сжимаема (в жидком состоянии) и поэтому служит гидростатическим скелетом клетки. За счет осмоса вода создает избыточное давление внутри вакуолей растительных клеток, это давление обеспечивает упругость клеточной стенки и поддержание формы органов (например, листьев).

Транспорт веществ

• У растений, благодаря, в частности, капиллярному эффекту, характерному для воды, осуществляется подъем от корня к другим частям растения растворенных в воде минеральных солей по сосудам. Также из-за когезии (сцепления), 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

Вследствие своей большой теплоемкости – 4200 Дж/(кг·К) – вода обеспечивает примерное постоянство температуры внутри клетки. Вода может переносить большое количество теплоты, отдавая ее 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).

Все биохимические процессы в организме человека сводятся к химическим реакциям в водном растворе. Это и есть обмен веществ в организме. В жидкой среде происходит переваривание пищи и всасывание в кровь питательных веществ, с помощью воды из организма выводятся вредные продукты обмена.

Приспособленность живых организмов к водной среде

Живые организмы успешно приспособились к водной среде и даже приобрели способность использовать необычные свойства воды. Благодаря высокой удельной теплоемкости вода действует в клетках как «тепловой буфер», позволяющий поддерживать в организме относительно постоянную температуру при колебаниях температуры воздуха. Высокая теплота испарения воды используется некоторыми позвоночными для защиты организма от перегревания с помощью механизма теплоотдачи путем испарения пота. Сильно выраженное сцепление молекул в жидкой воде, обусловленное влиянием межмолекулярных водородных связей, обеспечивает эффективный перенос в растениях раство­ренных питательных веществ от корней к листьям в процессе транспирации. Даже то, что лед имеет более низкую плотность по сравнению с жидкой водой и поэтому всплывает в ней, приводит к важным биологическим последствиям в жизненных циклах водных организмов. Однако наиболее существенным для живых организмов является тот факт, что многие важные биологические свой­ства макромолекул, в частности белков и нуклеиновых кислот, обусловлены их взаимодействием с молекулами воды в окружающей среде. Ниже мы увидим, что специфические трехмерные структуры белков, определяющие их биологи­ческую активность, поддерживаются благодаря свойствам воды. От свойств воды зависит даже такой важный процесс, как репликация ДНК.

Клоп-водомерка использует высокое поверхностное натяжение воды. Это насекомое, которое живет на поверхности прудов, имеет специальные волоски на своих первых и третьих парах ног, благодаря которым оно держится на поверхностном слое воды, не продавливая его. Средняя пара ног, проникающая через этот слой, действует как весла.

Дополнительная информация

Круговорот воды в природе

Воды океанов, рек, озёр, атмосферы, а также подземные воды образуют понятие «гидросфера». Все воды связаны между собой, образуя так называемые малый и большой круговороты. Малый круговорот заключается в том, что испаряющиеся с поверхности морей и океанов пары, попадая в верхние слои атмосферы, охлаждаются, конденсируются и в виде осадков выпадают на ту же поверхность. Большой круговорот имеет место, если атмосферные осадки выпадают на поверхность суши, образовавшаяся вода фильтруется через почву, обогащается минеральными и органическими веществами, образуя подземные воды. Выходя на поверхность и образуя реки вместе с поверхностным стоком, непосредственно попадающим в реки, эти воды возвращаются в океан. Кроме того, вода, испаряющаяся с поверхности суши, также образует осадки, которые могут непосредственно попадать в воды морей и океанов. На рис. 4 показана схема, иллюстрирующая круговорот воды.

Рис. 4. Схема круговорота воды в природе [4]:

1 – океан, 2 – поверхностный сток, 3 – бессточные области

Числа на рис. 4. указывают количество воды, участвующей в круговороте.

Общее количество воды на Земле остаётся постоянным, а между отдельными частями гидросферы существует баланс. Уравнение мирового баланса воды имеет вид

И_o + И_c = О_o + O_с,

где И_o и И_c – количество воды, испаряющейся с поверхности океанов и суши, а О_o и O_с – соответственно количество выпавших осадков. Общее количество воды на Земле составляет 1,4·10⁹ км³. В табл. 3 приведены данные о распределении воды в различных частях гидросферы.

Таблица 3

Запасы воды в различных частях гидросферы [5]

Из данных табл. 3 следует, что подавляющее количество воды содержат воды Мирового океана. Однако основные водные ресурсы, используемые человеком, относятся к пресным водам суши, так как они наиболее доступны и постоянно возобновляются.

Долгое время считалось, что при рациональном использовании воды её запасы неисчерпаемы. Однако со второй половины XX века в мире наметился явный дефицит пресной воды. Причиной этого, во-первых, явилось бурное развитие производства, вызывающее превышение расхода воды над естественным поступлением, и снижение её качества загрязнением веществами, являющимися производственными отходами. Во-вторых, причиной дефицита пресной воды явилась ухудшающаяся демографическая ситуация. Наибольший прирост населения в мире наблюдается в местах с жарким засушливым климатом, что усугубляет проблему питьевой воды. В России, несмотря на высокие удельные водные ресурсы, составляющие 30,7 тыс. м³/год на человека, они распределены неравномерно. Так, в районах Дальнего Востока они составляют 250, а в Поволжье всего 2,1 тыс. м³/год. Особенно большой недостаток пресной воды имеет место на юге европейской части России.