191,192,193 гр. Продолжение Лекция 2

За счёт полярности молекулы и высокой электроотрицательности атома кислорода между молекулами воды возникают водородные связи. Они значи­тельно слабее ковалентных связей, но достаточны для удержания молекул воды в связанном друг с другом состоянии в виде ассоциатов. Именно это свойство имеет столь важное значение для жизни. Наличием водородных связей объ­ясняется тот факт, что при обычных условиях вода, имея маленькую молеку­лярную массу, является жидкостью, а не газом, как водородные соединения других неметаллов — азота, углерода, серы, хлора, фосфора.

За счёт полярности и водородных связей молекулы воды способны соеди­няться между собой и с другими веществами. В результате такого соединения на поверхности образуется «плёнка», что и объясняет высокое поверхностное натяжение воды и её капиллярные свойства (рис. 27).

Наличием водородных связей объясняется и тот факт, что вода в твёрдом состоянии (лёд) легче, чем в жидком, поэтому лёд плавает на поверхности воды. Большинство веществ при замерзании сжимаются, и их плотность уве­личивается. Вода же наибольшую плотность имеет при температуре +4 °С. При охлаждении до 0°С расстояние между молекулами воды за счёт водородных связей слегка увеличивается. В результате плотность льда уменьшается, и он оказывается легче воды. Этим объясняется тот факт, что при замерзании водоёмов лёд образуется сначала на поверхности. Следовательно, одно и то же количество воды занимает в твёрдом состоянии больший объём, чем в жидком. Именно поэтому, кристаллизуясь в замкнутых сосудах или живых клетках, вода может разорвать их стенки, разрушить клеточные органоиды.

Вода обладает высокой теплопроводностью. Благодаря этому свойству тепло быстро и равномерно распределяется по всему объёму воды, находящейся в клетках, что препятствует их перегреванию в отдельных точках. При испарении воды происходит охлаждение поверхности. Это связано с тем, что для испа­рения необходима дополнительная энергия, способная разрушить водородные связи. Участие в терморегуляции — важное для всех организмов свойство воды.

Вода — универсальный полярный растворитель. Вещества, имеющие по­лярное или ионное строение, хорошо растворимы в воде, и их называют гидро­фильными (от греч. hydor — вода, phileo — люблю). Неполярные вещества, такие как бензин, парафин, жиры, масла, в воде нерастворимы, их называют гидрофобными (от греч. hydor — вода, phobos — страх).

В клетке различают воду свободную (90%) и связанную (примерно 10%). Связанная вода участвует в образовании макромолекул и клеточных органои­дов, она никогда не теряется живой клеткой. Свободная вода является средой, а также участником многих химических реакций, протекающих в клетке. Водные растворы веществ составляют основу цитоплазмы. Вода определяет объём и тургор клетки и тканей. Тургор — это напряжённое состояние плаз­матической мембраны, создаваемое давлением внутриклеточной жидкости, которая на 70—90% состоит из воды.

Минеральные вещества в клетках присутствуют в виде ионов и твёрдых нерастворимых солей. Нерастворимые соли пред­ставлены в основном фосфатами и карбонатами, входящими в состав костей, зубов, раковин и т. п. Растворимые ионы придают внутренней среде клетки определённую кислотно-щелочную реакцию, активизируют синтез ферментов. Рассмотрим биологические функции важнейших ионов.

Ионы калия (К⁺) и натрия (Na⁺) создают трансмембранный потенциал клетки, обеспечивающий возбудимость её наружной мембраны и проведение нервного импульса. Они активизируют ферменты белкового синтеза и фото­синтеза, стимулируют рост растений, выработку гормонов.

Ионы кальция (Са²⁺) — компоненты клеточной оболочки растений, из них формируются кости и зубы животных, они влияют на реакцию свёртывания крови, сокращения скелетных мышц.

Ионы хлора (С1^—) входят в состав соляной кислоты, которая является ком­понентом желудочного сока, активизирует деятельность пищеварительных ферментов и обеззараживает пищу.

Ионы магния (Mg²⁺) — компонент молекулы хлорофилла, они содержатся в костях и зубах животных, принимают участие в синтезе ДНК, активизируют энергетический обмен в клетке.

Ионы иода (I^—) входят в состав гормона щитовидной железы — тироксина, влияющего на скорость обмена веществ в организме и потребление кислорода. При его недостатке или избытке развиваются гормональные заболевания, на­пример микседема и базедова болезнь.

Ионы железа (Fe²⁺) входят в состав гемоглобина, миоглобина (кислород- связывающий белок скелетных и сердечной мышц), хрусталика и роговицы глаза, они являются активаторами ферментов, участвуют в синтезе хлорофилла. Очень важна роль железа, входящего в состав гемоглобина (обеспечивает транс­порт кислорода к тканям и органам) и миоглобина (депонирует молекулярный кислород и передаёт его окислительным системам клетки).

С растворимыми ионами связано также поддержание постоянства внут­ренней среды клетки.

Другие химические элементы в клетке также выполняют важные биологи­ческие функции. Например, медь участвует в процессах кроветворения, фото­синтеза, катализирует внутриклеточные окислительные процессы. Марганец способствует повышению урожайности растений, активизирует процесс фото­синтеза. Бор воздействует на ростовые процессы растений. Фтор входит в состав эмали зубов, при его недостатке развивается кариес, при избытке — флюороз (размягчение костной ткани). Флюорозом страдают люди, связанные с произ­водством фтора и фторсодержащих веществ. Ионы молибдена, хрома, кобальта, цинка служат активаторами ряда ферментов, влияют на процессы кроветворе­ния, обмена веществ. При нехватке этих элементов могут нарушаться процессы жизнедеятельности организмов.