Ūdens funkcijas šūnā. Ūdens bioloģiskā loma šūnā Kādu lomu spēlē ūdens šūnas dzīvē?

Augsts ūdens saturs šūnā ir vissvarīgākais nosacījums tās darbībai. Zaudējot lielāko daļu ūdens, daudzi organismi iet bojā, un vairāki vienšūnu un pat daudzšūnu organismi uz laiku zaudē visas dzīvības pazīmes. Šo stāvokli sauc par apturētu animāciju. Pēc hidratācijas šūnas pamostas un atkal kļūst aktīvas.

Ūdens molekula ir elektriski neitrāla. Bet elektriskais lādiņš molekulas iekšpusē ir sadalīts nevienmērīgi: ūdeņraža atomu (precīzāk, protonu) rajonā dominē pozitīvais lādiņš, apgabalā, kur atrodas skābeklis, negatīvā lādiņa blīvums ir lielāks. Tāpēc ūdens daļiņa ir dipols. Ūdens molekulas dipola īpašība izskaidro tās spēju orientēties elektriskajā laukā un piesaistīties dažādām molekulām un molekulu sekcijām, kas nes lādiņu. Tā rezultātā veidojas hidrāti. Ūdens spēja veidot hidrātus ir saistīta ar tā universālajām šķīdinātāja īpašībām. Ja ūdens molekulu pievilkšanās enerģija vielas molekulām ir lielāka par pievilkšanās enerģiju starp ūdens molekulām, tad viela izšķīst. Atkarībā no tā izšķir hidrofilās (grieķu hidros — ūdens un phileo — mīlestība) vielas, kas labi šķīst ūdenī (piemēram, sāļi, sārmi, skābes u.c.), un hidrofobās (grieķu hidros — ūdens un foboss). - bailes) vielas, grūti vai vispār nešķīst ūdenī (tauki, taukiem līdzīgas vielas, gumija utt.). Šūnu membrānu sastāvā ietilpst taukiem līdzīgas vielas, kas ierobežo pāreju no ārējās vides uz šūnām un atpakaļ, kā arī no vienas šūnas daļas uz otru.

Lielākā daļa reakciju, kas notiek šūnā, var notikt tikai ūdens šķīdumā. Ūdens ir tiešs daudzu reakciju dalībnieks. Piemēram, olbaltumvielu, ogļhidrātu un citu vielu sadalīšanās notiek to mijiedarbības rezultātā ar ūdeni, ko katalizē fermenti. Šādas reakcijas sauc par hidrolīzes reakcijām (grieķu hidros — ūdens un līze — šķelšanās).

Ūdenim ir augsta siltumietilpība un tajā pašā laikā salīdzinoši augsta siltumvadītspēja šķidrumiem. Šīs īpašības padara ūdeni par ideālu šķidrumu šūnu un organismu termiskā līdzsvara uzturēšanai.

Ūdens ir galvenais šūnu bioķīmisko reakciju līdzeklis. Tas ir fotosintēzes laikā izdalītā skābekļa un ūdeņraža avots, ko izmanto oglekļa dioksīda asimilācijas produktu atjaunošanai. Un visbeidzot, ūdens ir galvenais vielu transportēšanas līdzeklis organismā (asins un limfas plūsma, šķīdumu augšupejošas un lejupejošas plūsmas caur augu traukiem) un šūnā.

Ne visi šūnā esošie savienojumi ir raksturīgi dzīvai dabai. Vielas, piemēram, ūdens vai sāļi, ir plaši izplatītas ārpus dzīvām būtnēm. Bet organismos un to vitālās darbības produktos jau sen ir atklāts liels skaits oglekli saturošu vielu, kas raksturīgas tikai dzīvām šūnām un organismiem un tāpēc tiek sauktas par "organiskām vielām".

Ūdens ir unikāla viela. Tas ir izplatīts visur uz mūsu planētas. Mēģiniet iedomāties, kāda būtu mūsu dzīve bez H2O molekulas? Un nav ko iedomāties – uz mūsu planētas nebūtu dzīvības. Cilvēks 70% sastāv no ūdens. Jo jaunāks ir ķermenis, jo vairāk tas satur, un ar vecumu šis daudzums samazinās. Piemēram, ņemsim embriju - H2O procentuālais daudzums tajā ir 90%.

Rakstā mēs aicinām jūs izcelt visu šūnā un apsvērt katru sīkāk. Ir svarīgi pieminēt, ka tas tur ir ietverts divos veidos: brīvs un saistīts. Mēs ar to nodarbosimies nedaudz vēlāk.

Ūdens

Ikviens zina, ka ūdenim ir ļoti svarīga vai, drīzāk, galvenā loma mūsu dzīvē. Bez tā mūsu planēta būtu miris, nedzīvs tuksnesis. Zinātnieki joprojām pēta ūdeni un tā lomu cilvēka organismā.

Mēs jau teicām, ka ūdens mūsu šūnās ir atrodams brīvā un saistītā veidā. Pirmais kalpo vielu izplatīšanai – to pārvietošanai šūnā un ārā no tās. Un tiek novērots pēdējais:

starp šķiedrām;
membrānas;
olbaltumvielu molekulas;
šūnu struktūras.

Gan brīvais, gan saistītais ūdens šūnā obligāti veic dažas funkcijas, par kurām mēs runāsim vēlāk. Un tagad daži vārdi par to, kā tiek organizēta pati H2O molekula.

Molekula

Sākumā apzīmēsim ūdens molekulāro formulu: H2O. Šī ir ļoti izplatīta viela uz planētas, un jums to vajadzētu atcerēties, jo ūdens molekulārā formula ir diezgan bieži sastopama dažādās zināšanu jomās. Starp citu, tas ir atrodams visos cilvēka orgānos, pat zobu emaljā un kaulos, lai gan tā procentuālā daļa tur ir ļoti maza - attiecīgi 10% un 20%.

Kā jau teicām, jo jaunāks ir ķermenis, jo vairāk tajā ir ūdens. Zinātnieki ir ierosinājuši, ka mēs novecojam, jo olbaltumvielas nespēj saistīt lielu daudzumu ūdens. Bet šī tomēr ir tikai hipotēze.

Funkcijas

Tagad tālāk esošajā sarakstā skaidri izcelsim vairāk no tiem:

H2O var darboties kā šķīdinātājs, jo gandrīz visas ķīmiskās reakcijas ir jonu un notiek ūdenī. Jāņem vērā, ka ir hidrofilas vielas (kas izšķīdina, piemēram, spirtu, cukuru, aminoskābes utt.), bet ir arī hidrofobas (taukskābes, celuloze un citas).
Ūdens var darboties kā reaģents.
Veic transporta, termoregulācijas un strukturālās funkcijas.

Mēs ierosinām izskatīt katru no tiem atsevišķi. Ejam kārtībā, pirmā mūsu sarakstā ir šķīdinātāja funkcija.

Šķīdinātājs

Ūdenim šūnā ir daudz funkciju, taču viena no svarīgākajām ir palīdzēt atvieglot daudzas reakcijas. H2O molekula var darboties kā šķīdinātājs. Gandrīz visas šūnā notiekošās reakcijas ir jonu, tas ir, vide, kurā tās var notikt, ir ūdens.

Reaģents

Nākamās ūdens funkcijas šūnā ir tā kā reaģenta līdzdalība ķīmiskās reakcijās, kas notiek organismā. Tie ietver:

hidrolīze;
polimerizācija;
fotosintēze un tā tālāk.

Tagad nedaudz par to Ķīmijā tas ir vielas nosaukums, kas piedalās dažās ķīmiskās reakcijās. Vissvarīgākais ir tas, ka, lai gan tas piedalās reakcijā, tas nav apstrādes objekts. Reaģenti laboratorijā (saukti arī par reaģentiem) ir diezgan izplatīta parādība.

Ūdens kā reaģents ir iesaistīts citu organismam nepieciešamo vielu sastāvā.

Transporta funkcija

Kāpēc mēs dzīvojam? Mūsu ķermenis pastāv tikai tāpēc, ka šūnas, no kurām tas sastāv, ir dzīvas. Un viņiem jāpateicas viņu unikālajai struktūrai un dažām H2O molekulas iespējām. Mēs jau minējām, ka ūdens ir mūsu ķermeņa neatņemama sastāvdaļa, un katra šūna satur šīs unikālās molekulas, pareizāk sakot, savā sastāvā ir pirmajā vietā.

Ūdens transportēšanas funkcija šūnā ir vēl viens H2O mērķis mūsu ķermenī. Ūdenim ir noteikta īpašība - iekļūšana starpšūnu telpā, pateicoties kurai barības vielas nonāk šūnā.

Ir arī vērts zināt, ka arī asinīs un limfā ir ūdens, un tā trūkums izraisa dažas sekas: asinsizplūdumus vai trombozi.

Termoregulācija

Kādas ūdens funkcijas šūnā mēs vēl neesam sapratuši? Protams, termoregulācija. Mēs teicām, ka ūdens var absorbēt siltumu un saglabāt to ilgu laiku. Tādējādi H2O var aizsargāt šūnu no hipotermijas vai pārkaršanas. Termoregulācijas funkcija ir nepieciešama ne tikai atsevišķām šūnām, bet arī visam organismam kopumā.

Strukturālā funkcija

Mēs tos jau esam uzskaitījuši, bet vēl viens mērķis ir jāapspriež - šūnu struktūras uzturēšana.

Vai esat kādreiz mēģinājis saspiest šķidru ūdeni? Pat laboratorijas apstākļos to ir ārkārtīgi grūti sasniegt. Šī ūdens īpašība ir nepieciešama, lai saglabātu katras šūnas formu un struktūru.

Atcerieties uz visiem laikiem: bez ūdens dzīve nav iespējama. Mēs izjūtam slāpes, kad organisms zaudē apmēram 3% ūdens, un, zaudējot 20%, mirst šūnas un līdz ar to arī cilvēks. Skatieties, cik daudz ūdens jūs dzerat.

Ūdens īpašības un tā loma šūnā:

Pirmajā vietā starp šūnas vielām ir ūdens. Tas veido apmēram 80% no šūnas masas. Ūdens dzīvajiem organismiem ir divtik svarīgs, jo nepieciešams ne tikai kā šūnu sastāvdaļa, bet daudziem arī kā biotops.

1. Ūdens nosaka šūnas fizikālās īpašības – tās tilpumu, elastību.

2. Daudzi ķīmiskie procesi notiek tikai ūdens šķīdumā.

3. Ūdens ir labs šķīdinātājs: daudzas vielas no ārējās vides nonāk šūnā ūdens šķīdumā, un ūdens šķīdumā no šūnas tiek izvadīti atkritumi.

4. Ūdenim ir augsta siltumietilpība un siltumvadītspēja.

5. Ūdenim ir unikāla īpašība: kad to atdzesē no +4 līdz 0 grādiem, tas izplešas. Tāpēc ledus izrādās vieglāks par šķidru ūdeni un paliek uz tā virsmas. Tas ir ļoti svarīgi organismiem, kas dzīvo ūdens vidē.

6. Ūdens var būt laba smērviela.

Ūdens bioloģisko lomu nosaka tā molekulu mazais izmērs, to polaritāte un spēja savienoties viena ar otru caur ūdeņraža saitēm.

Ūdens bioloģiskās funkcijas:

transports. Ūdens nodrošina vielu kustību šūnā un organismā, vielu uzsūkšanos un vielmaiņas produktu izvadīšanu. Dabā ūdens pārnes atkritumus augsnē un ūdenstilpēs.

vielmaiņas. Ūdens ir visu bioķīmisko reakciju vide, elektronu donors fotosintēzes laikā; tas nepieciešams makromolekulu hidrolīzei par to monomēriem.

Ūdens ir iesaistīts eļļošanas šķidrumu un gļotu, izdalījumu un sulu veidošanā organismā.

Ar ļoti retiem izņēmumiem (kaulu un zobu emalju) šūnas dominējošā sastāvdaļa ir ūdens. Ūdens ir nepieciešams šūnu metabolismam (apmaiņai), jo fizioloģiskie procesi notiek tikai ūdens vidē. Ūdens molekulas ir iesaistītas daudzās šūnas fermentatīvās reakcijās. Piemēram, olbaltumvielu, ogļhidrātu un citu vielu sadalīšanās notiek to mijiedarbības rezultātā ar ūdeni, ko katalizē fermenti. Šādas reakcijas sauc par hidrolīzes reakcijām.

Ūdens fotosintēzes laikā kalpo kā ūdeņraža jonu avots. Ūdens šūnā ir divos veidos: brīvs un saistīts. Brīvais ūdens veido 95% no visa šūnā esošā ūdens un tiek izmantots galvenokārt kā šķīdinātājs un kā dispersijas vide protoplazmas koloidālajai sistēmai. Saistītais ūdens, kas veido tikai 4% no kopējā ūdens daudzuma šūnā, ir brīvi saistīts ar olbaltumvielām ar ūdeņraža saitēm.

Pateicoties asimetriskam lādiņu sadalījumam, ūdens molekula darbojas kā dipols, un tāpēc to var saistīt gan pozitīvi, gan negatīvi lādētas proteīnu grupas. Ūdens molekulas dipola īpašība izskaidro tās spēju orientēties elektriskajā laukā un piesaistīties dažādām molekulām un molekulu sekcijām, kas nes lādiņu. Tā rezultātā veidojas hidrāti

Pateicoties augstajai siltumietilpībai, ūdens absorbē siltumu un tādējādi novērš pēkšņas temperatūras svārstības šūnā. Ūdens saturs organismā ir atkarīgs no tā vecuma un vielmaiņas aktivitātes. Tas ir visaugstākais embrijā (90%) un pakāpeniski samazinās līdz ar vecumu. Ūdens saturs dažādos audos atšķiras atkarībā no to vielmaiņas aktivitātes. Piemēram, smadzeņu pelēkajā vielā ir līdz 80% ūdens, bet kaulos līdz 20%. Ūdens ir galvenais līdzeklis vielu pārvietošanai organismā (asins plūsma, limfa, šķīdumu augšupejošas un lejupejošas plūsmas caur augu traukiem) un šūnā. Ūdens kalpo kā “smērviela”, kas nepieciešama visur, kur ir berzes virsmas (piemēram, savienojumos). Ūdenim maksimālais blīvums ir 4°C. Tāpēc ledus, kam ir mazāks blīvums, ir vieglāks par ūdeni un peld uz tā virsmas, kas pasargā rezervuāru no sasalšanas. Šī ūdens īpašība ietaupa daudzu ūdens organismu dzīvības.

Ikviens zina, ka ūdenim ir viena no svarīgākajām lomām cilvēka dzīvē un ka bez tā dzīve uz Zemes nav iedomājama. Izzinot pasauli un studējot dažādas zinātnes, cilvēki uzzina, kāda ir ūdens bioloģiskā loma šūnā un cik svarīgs ūdens ir jebkuru organismu funkcionēšanai.

Ūdens (molekulārā formula H2O) ir visizplatītākā viela uz zemes. Tas ir atrodams gandrīz visur dažādos daudzumos. Piemēram, zobu emaljā tas aizņem 10%, bet embrijā, kas attīstās, tas veido vairāk nekā 90%. Cilvēka organismā ir aptuveni 65% ūdens. Īpaši ar to ir piesātināti jauno organismu audi.

Tātad bērna ķermenī ir 70% šķidruma. Pastāv pat hipotēze, saskaņā ar kuru novecošanās cēlonis ir olbaltumvielu nespēja organismā saistīt lielu daudzumu ūdens. Visi cilvēka audi un orgāni satur šķidrumu. Pat kaulos tā klātbūtne ir aptuveni 20%, un smadzenēs, aknās un muskuļos šis skaitlis palielinās līdz 80%.

Viena no galvenajām dzīves pazīmēm ir vielmaiņa. Visu veidu vielmaiņa – olbaltumvielas, ogļhidrāti, tauki un citi – ietver arī ūdeni. Tās būtība ir šķidruma uzsūkšanās process zarnās un kuņģī, kam seko tā izplatīšanās ķermeņa audos un izdalīšanās caur nierēm, ādu un plaušām.

Dzīvie audi sastāv no šūnām un starpšūnu vielām, kas pārstāv diezgan sarežģītu sistēmu, un dažas to daļas satur ūdeni. Galu galā tas ir lielisks šķīdinātājs lielākajai daļai dzīvo vielu, kas veido dzīvu organismu.

Pateicoties tam, ūdens apmaiņas laikā notiek termoregulācijas process. Arī nevajadzīgie un kaitīgie vielmaiņas produkti pazūd kopā ar ūdeni.

No iepriekš minētā mēs varam secināt, kāda ir ūdens loma šūnā:

Šūnu elastība tiek saglabāta. Piemēram, kad šūna zaudē šķidrumu, augļi var izžūt vai lapas var nokalst.
Vielas tiek pārvietotas, ieskaitot nevajadzīgo elementu izņemšanu.
Ķīmisko reakciju paātrinājumu nodrošina vielu šķīdināšana šķidrumā.
Sāļi un cukuri izšķīst.
Pateicoties ūdens spējai lēnām uzkarst un atdzist, tas piedalās termoregulācijā.

Brīvs un saistīts ūdens

Ūdens lomu šūnas dzīvē, iespējams, ir grūti pārvērtēt. Turklāt ar lielāku vielmaiņas ātrumu palielinās šķidruma daudzums. Ūdens šūnā var būt saistīts vai brīvs. Pēdējais atrodas vakuolos, atstarpēs starp šūnām, dažādu orgānu dobumos un traukos. Tas ir nepieciešams, lai vielas pārnestu šūnā un no tās uz ārējo vidi.

Sakarā ar neparasto elektronu izvietojumu šajā molekulā, tajā ir zināma elektriskā asimetrija. Tā kā skābeklis ir elektronnegatīvāks, tas spēcīgāk piesaista ūdeņradi.

Ūdens kā šķīdinātājs

Pateicoties molekulu polaritātei, kā arī spējai veidot ūdeņraža saites, ūdens ir ļoti labs šķīdinātājs jonu savienojumiem, piemēram, sāļiem vai skābēm. Nejonu (bet polāri) savienojumi arī labi šķīst šķidrumā. Tie ietver vielas, kuru molekulās ir lādētas (polāras) grupas, piemēram, spirti, cukuri vai aminoskābes.

Ūdens (H 2 O) ir vissvarīgākā šūnas neorganiskā viela. Šūnā kvantitatīvā izteiksmē ūdens ieņem pirmo vietu starp citiem ķīmiskajiem savienojumiem. Ūdens pilda dažādas funkcijas: saglabā šūnas apjomu, elastību, piedalās visās ķīmiskajās reakcijās. Visas bioķīmiskās reakcijas notiek ūdens šķīdumos. Jo augstāks vielmaiņas ātrums konkrētā šūnā, jo vairāk tajā ir ūdens.

Pievērs uzmanību!

Ūdens šūnā ir divos veidos: brīvs un saistīts.

Bezmaksas ūdens kas atrodas starpšūnu telpās, traukos, vakuolos un orgānu dobumos. Tas kalpo vielu transportēšanai no vides šūnā un otrādi.
Saistīts ūdens ir daļa no dažām šūnu struktūrām, kas atrodas starp olbaltumvielu molekulām, membrānām, šķiedrām un ir saistīta ar dažiem proteīniem.
Ūdenim ir vairākas īpašības, kas ir ārkārtīgi svarīgas dzīviem organismiem.

Ūdens molekulu struktūra

Ūdens unikālās īpašības nosaka tā molekulas struktūra.

Starp atsevišķām ūdens molekulām veidojas ūdeņraža saites, kas nosaka ūdens fizikālās un ķīmiskās īpašības.
Raksturīgais elektronu izvietojums ūdens molekulā piešķir tai elektrisko asimetriju. Jo elektronnegatīvāks skābekļa atoms spēcīgāk piesaista ūdeņraža atomu elektronus, kā rezultātā veidojas ūdens molekula dipols(ir polaritāte). Katram no diviem ūdeņraža atomiem ir daļēji pozitīvs lādiņš, un skābekļa atomam ir daļēji negatīvs lādiņš.

Vienas ūdens molekulas skābekļa atoma daļēji negatīvo lādiņu piesaista citu molekulu daļēji pozitīvie ūdeņraža atomi. Tādējādi katrai ūdens molekulai ir tendence savienoties ūdeņraža saite ar četrām blakus esošām ūdens molekulām.

Ūdens īpašības

Tā kā ūdens molekulas ir polāras, ūdenim ir īpašība izšķīdināt citu vielu polārās molekulas.
Vielas, kas šķīst ūdenī, sauc hidrofils(sāļi, cukuri, vienkāršie spirti, aminoskābes, neorganiskās skābes). Vielai nonākot šķīdumā, tās molekulas vai joni var kustēties brīvāk un līdz ar to palielinās vielas reaktivitāte.

Vielas, kas nešķīst ūdenī, sauc hidrofobs(tauki, nukleīnskābes, daži proteīni). Šādas vielas var veidot saskarnes ar ūdeni, kur notiek daudzas ķīmiskas reakcijas. Tāpēc dzīvajiem organismiem ļoti svarīgi ir arī tas, ka ūdens neizšķīdina dažas vielas.

Ūdenim ir augsta specifika siltuma jauda, t.i. spēja absorbēt siltumenerģiju ar minimālu pašas temperatūras paaugstināšanos. Lai pārtrauktu daudzās ūdeņraža saites, kas atrodas starp ūdens molekulām, ir jāuzņem liels enerģijas daudzums. Šī ūdens īpašība nodrošina siltuma līdzsvara uzturēšanu organismā. Ūdens lielā siltumietilpība aizsargā ķermeņa audus no straujas un spēcīgas temperatūras paaugstināšanās.
Lai iztvaicētu ūdeni, ir nepieciešams diezgan daudz enerģijas. Ievērojama enerģijas daudzuma izmantošana ūdeņraža saišu pārraušanai iztvaikošanas laikā palīdz to atdzesēt. Šī ūdens īpašība aizsargā ķermeni no pārkaršanas.

Piemērs:

Tā piemēri ir transpirācija augos un svīšana dzīvniekiem.

Ūdenim ir arī augsta siltumvadītspēja, kas nodrošina vienmērīgu siltuma sadali visā ķermenī.

Pievērs uzmanību!

Augsta īpatnējā siltumietilpība un augsta siltumvadītspēja padara ūdeni par ideālu šķidrumu šūnu un organismu termiskā līdzsvara uzturēšanai.

Ūdens praktiski nesamazinās, radot turgora spiedienu, nosakot šūnu un audu apjomu un elastību.

Piemērs:

Hidrostatiskais skelets saglabā formu apaļtārpos, medūzās un citos organismos.

Pateicoties molekulu adhezīviem spēkiem, uz ūdens virsmas veidojas plēve, kurai ir tāda īpašība kā virsmas spraigums.

Piemērs:

Virsmas spraiguma spēka ietekmē notiek kapilārā asins plūsma, augos augošas un lejupejošas šķīdumu straumes.

Starp ūdens fizioloģiski svarīgajām īpašībām ir tā spēja izšķīdināt gāzes(O 2, CO 2 utt.).

Ūdens ir arī skābekļa un ūdeņraža avots, kas izdalās fotolīzes laikā fotosintēzes gaismas fāzē.

Ūdens bioloģiskās funkcijas

Ūdens nodrošina vielu kustību šūnā un organismā, vielu uzsūkšanos un vielmaiņas produktu izvadīšanu. Dabā ūdens pārnes atkritumus augsnē un ūdenstilpēs.
Ūdens ir aktīvs vielmaiņas reakciju dalībnieks.
Ūdens piedalās eļļošanas šķidrumu un gļotu, sekrēciju un sulu veidošanā organismā (šie šķidrumi atrodas mugurkaulnieku locītavās, pleiras dobumā, perikarda maisiņā).
Ūdens ir daļa no gļotām, kas atvieglo vielu kustību caur zarnām un rada mitru vidi uz elpceļu gļotādām. Arī dažu dziedzeru un orgānu izdalītie izdalījumi ir uz ūdens bāzes: siekalas, asaras, žults, sperma u.c.