Вода - ХИМИЧЕСКАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ КЛЕТОК

В состав живого входят те же химические элементы, которые входят в состав неживой природы. К настоящему времени в живых клетках их обнаружено около 70. Однако соотношение различных элементов в объектах живой и неживой природы неодинаково.

В клетках живых организмов на долю углерода, кислорода, азота и водорода приходится почти 98% массы. Относительное содержание этих элементов значительно выше, чем в земной коре. Они являются основными компонентами органических соединений. Их называют макроэлементами. Жизненно необходимыми являются также восемь элементов, содержание которых в клетке исчисляется десятыми и сотыми долями процента и в сумме составляет менее 2%. Это магний, натрий, кальций, железо, калий, сера, фосфор, хлор. Сера и фосфор входят в состав молекул биополимеров. Натрий, калий и хлор участвуют в образовании разности зарядов внешней и внутренней поверхностей мембраны клетки, обусловливающей такие важные процессы, как передача возбуждения по нерву или мышце. Железо является компонентом гемоглобина. Кальций и фосфор, накапливаясь в костной ткани, придают прочность костям. Магний входит в состав хлорофилла и многих ферментов.

К группе микроэлементов относят цинк, медь, йод, фтор, марганец, кобальт, кремний и другие элементы, содержащиеся в клетке в исключительно малых количествах (суммарное содержание порядка 0,1%). Несмотря на низкое содержание в живых организмах, микроэлементы играют чрезвычайно важную роль: они входят в состав различных ферментов, гормонов, витаминов и обусловливают тем самым нормальное развитие и функционирование структур клетки и организма в целом. Так, например, медь является составной частью ряда ферментов, занятых в процессах тканевого дыхания. Цинк — необходимый компонент почти ста ферментов, в частности ДНК- и РНК-полимераз; он содержится также в гормоне поджелудочной железы — инсулине. Кобальт входит в состав витамина В₁₂, регулирующего кроветворную функцию. Йод является компонентом гормона щитовидной железы — тироксина. При недостатке этих элементов в почве, а, следовательно, в воде и пищевых продуктах снижается их содержание в организме. При этом развиваются различные патологические состояния (сахарный диабет, эндемический зоб, злокачественная анемия и др.). Химические элементы входят в состав молекул органических и неорганических веществ, формирующих состав тела организма.

Химические элементы входят в состав клеток в виде ионов или компонентов молекул неорганических и органических веществ. Относительно простые химические соединения, которые встречаются как в живой, так и в неживой природе (в минералах, природных водах), называют неорганическими (минеральными) веществами (вода, минеральные соли). Многообразные соединения углерода, синтезируемые преимущественно живыми организмами, называют органическими веществами (углеводы, липиды, белки, нуклеиновые кислоты, витамины и др.).

6.1. Вода

Наличие воды является обязательным условием жизнедеятельности клетки. Вода — одно из самых распространенных веществ на Земле и преобладающий компонент всех живых организмов. Среднее содержание воды в клетках большинства организмов составляет около 70% (в клетках медузы — 96%). У человека содержание воды в клетках костной ткани составляет 20%, жировой ткани — 40%, мышечной ткани — 70%, в клетках головного мозга — до 85%, а в клетках развивающегося зародыша — около 90%. Таким образом, количество воды в различных органах и тканях варьирует и зависит от уровня их обменных процессов. Вода в клетке находится в двух формах: свободной и связанной. Свободная вода составляет 95% всей воды клетки; на долю связанной воды, входящей в состав фибриллярных структур и соединенной с некоторыми белками, приходится около 5%.

Роль воды в клетке определяется ее химическими и физическими свойствами. Вода обладает рядом свойств, имеющих исключительно важное значение для живых организмов. Уникальные свойства воды определяются структурой ее молекул. Молекула воды является диполем. Атом кислорода в ней ковалентно связан с двумя атомами водорода. Положительные заряды сосредоточены у атома водорода, так как кислород электроотрицательнее водорода. Молекулы воды способны образовывать между собой водородные связи. По прочности водородная связь примерно в 20 раз слабее ковалентной, поэтому она легко разрывается, например, при испарении воды.

Малые размеры молекул воды, их полярность и способность соединяться между собой водородными связями обеспечивают хорошее растворение в воде многих минеральных и органических веществ, газов и др. Вещества, хорошо растворимые в воде, называют гидрофильными. К ним относят многие кристаллические соли, ряд органических веществ — спирты, сахара, некоторые белки (например, альбумины, гистоны). Вещества, плохо или вовсе не растворимые в воде, называют гидрофобными. Последние представлены жирами, нуклеиновыми кислотами, некоторыми белками (глобулинами, фибриллярными белками).

Вода обладает высокой удельной теплоемкостью и теплопроводностью. Высокая теплоемкость воды, т.е. способность поглощать теплоту при минимальном изменении собственной температуры, делает ее идеальной жидкостью для поддержания теплового равновесия клетки и организма. Так как на испарение воды расходуется много теплоты, то, испаряя воду, организмы могут защищать себя от перегрева (например, при потоотделении). Вода обладает высокой теплопроводностью, обеспечивая возможность равномерного распределения теплоты между тканями организма. В результате устраняется риск температурного повреждения клеток.

Вода является дисперсионной средой, играющей важную роль в коллоидной системе цитоплазмы. Она определяет структуру и функциональную активность многих макромолекул, служит основной средой для протекания химических реакций и непосредственным участником реакций синтеза и расщепления органических веществ. Вода обеспечивает транспорт веществ в клетке и организме (диффузию, кровообращение, восходящий и нисходящий ток растворов по телу растения и др.).

Вода практически не сжимается, создавая тургорное давление и определяя объем и упругость клеток и тканей. Клетки могут использовать воду в качестве источника кислорода и водорода, выделяемых в световую фазу фотосинтеза.