Більшість хімічних сполук, які входять до складу клітини, зустрічаються тільки в живій природі. Майже всі молекули за невеликим винятком, що зустрічаються в клітці, відносяться до з'єднань вуглецю і розглядаються в курсі органічної хімії. Однак вода зустрічається і в живій, і в неживій природі. В середньому майже 70% від маси живих організмів становить вода. Але зміст води в клітці може коливатися в залежності, наприклад, від її конкретного виду або віку. Крім води в клітинах в значних кількостях зустрічаються деякі солі, які важливі для здійснення функцій живих організмів.
Вода.
Вода (H2O) являє собою речовина, яке у фізичному і хімічному відношенні істотно відрізняється від інших розчинників. Життя виникла в первинному океані, і в процесі подальшого розвитку природа використовувала унікальні властивості води.
У води на відміну від інших рідин надзвичайно високі температури кипіння і плавлення і висока питома теплоємність. Також відмітними особливостями води є велика питома теплота випаровування, плавлення і високий поверхневий натяг. Вода має всі ці властивості завдяки тому, що її молекули більш міцно пов'язані один з одним на відміну від молекул інших розчинників.
Ці унікальні властивості води дуже впливають на життєдіяльність клітин. Наприклад, висока теплоємність води, тобто здатність поглинати тепло при незначній зміні своєї власної температури, оберігає клітини від різких змін температури. Високу теплоту випаровування води живі організми використовують для запобігання від перегріву. Згадаймо, що випаровування рідини тваринами і рослинами - це захисна реакція на підвищення температури. Завдяки високій теплопровідності води забезпечується рівномірний розподіл теплоти по всьому організму, а завдяки тому, що вода погано стискається, клітини мають пружністю і можуть підтримувати свою форму.
Свої унікальні фізичні і хімічні властивості вода отримала завдяки особливостям структури своєї молекули, а точніше, завдяки тому, як саме в молекулі води розташовуються електрони в атомах кисню і водню. Два електрона, що розташовуються на зовнішній електронній орбіті атома кисню в молекулі води, об'єднуються з двома електронами, що належать атомам водню (у атома водню на зовнішній орбіті тільки один електрон). Завдяки цьому в молекулі води утворюються дві ковалентні зв'язку (між атомом кисню і двома атомами водню). Електронегативність * атома кисню вище, ніж у атомів водню, завдяки чому, електрони притягуються до нього сильніше. В результаті цього на атомі кисню з'являється частково негативний заряд, а на атомах водню - частково позитивний. Між більш негативно зарядженими атомами кисню одних молекул води та більш позитивно зарядженими атомами водню інших молекул води утворюються так звані водневі зв'язку, і молекули води виявляються пов'язаними між собою.
* Електронегативність - це здатність атома в молекулі зміщувати до себе загальні електронні пари. Відноситься до фунадментальним властивостями атома і виражається в кількісних характеристиках.
5 молекул води з водневими зв'язками між ними
На малюнку зображено молекули води. Ковалентні зв'язки пов'язують атоми кисню і водню всередині кожної молекули (суцільні лінії), а водневі зв'язки утворюються між сусідніми молекулами (пунктирні лінії).
Водневі зв'язки приблизно в 20 разів слабші, ніж ковалентні. Тому вони легко утворюються і розриваються. Навіть при температурі кипіння (100 ° С) взамодействия між молекулами води залишається досить сильним. Саме водневі зв'язку забезпечують структурованість води і пояснюють такі її властивості, як високі температури кипіння і плавлення, а також високу теплоємність.
Інша важлива властивість молекули води - її дипольний. У молекулі води, як зазначалося раніше, атоми кисню мають невеликий негативний заряд, а атоми водню - позитивний. Оскільки кут між зв'язками HOH становить 104.5 °, виходить, що негативний заряд в молекулі води зосереджується на одній стороні, а позитивний - на інший. Завдяки Дипольна молекули води мають здатність до орієнтації в електричному полі. Це властивість пояснює, що вода є унікальним розчинником. Якщо в молекулах речовин присутні заряджені групи атомів, вони, вступаючи в електростатичне взаємодія з молекулами води, розчиняються в ній. Такі речовини з зарядженими або полярними групами, що розчиняються у воді, називаються гідрофільними.
Розчинення NaCl у воді.
Здатність води розчиняти кристал NaCl залежить від електростатичного притягання між полярними молекулами води і зарядженими іонами натрію і хлору.
До гідрофільних сполук, які у великій кількості є в клітинах, відносяться солі, деякі низькомолекулярні органічні сполуки (органічні кислоти, амінокислоти, прості цукри), а також полімери: деякі полісахариди, білки, нуклеїнові кислоти. Однак існує ряд речовин, майже не мають заряджених атомів, і, тому, що не розчиняються у воді. Такі речовини називаються гідрофобними. До них, наприклад, відносяться ліпіди (жири). Гідрофобні речовини не взаємодіють з водою, але можуть взаємодіяти один з одним. Тому вони добре розчиняються в деяких органічних розчинниках, як, наприклад, хлороформ. Ліпіди, що відносяться до гідрофобним з'єднанням, формують двовимірні структури (біологічні мембрани), практично непроникні для води.
У порівнянні з іншими розчинниками вода може розчинити більше хімічних речовин, завдяки своїй полярності. Життєдіяльність клітини неможлива без численних хімічних реакцій, які здійснюються в її водному середовищі, де розчинені різні хімічні речовини. Також вода розчиняє і продукти реакцій. Потім в розчиненому вигляді вони виводяться з клітин і багатоклітинних організмів. За рахунок переміщення води в організмах тварин і рослин здійснюється обмін різними речовинами між тканинами. Ще однією важливою властивістю води є те, що, як хімічна сполука, вода набуває в багато хімічні реакції, які протікають в клітині. Такі реакції називають реакціями гідролізу. У свою чергу, молекули води самі утворюються в результаті багатьох реакцій в клітинах живих організмів.
Оскільки маса атома водню мала, а атом кисню в молекулі води утримує його єдиний електрон, протон (ядро атома водню, позбавлене електрона) здатний відриватися від молекули води. В результаті цього з молекули води утворюються гідроксильних іон (ОН) і протон (Н +).
H2O <-> H + + OH-
Даний процес називають дисоціацією води. Гідроксильні іони і протони, які утворюються при дисоціації води, є, в свою чергу, учасниками багатьох важливих реакцій в живих організмах.
Солі.
У життєдіяльності клітини також дуже важливі солі, розчинені у воді. Головним чином солі представлені катіонами калію (К +), натрію (Na +), магнію (Mg2 +), кальцію (Ca2 +) і інших металів, а також аніонами соляної (Cl-), вугільної (НСО 3) і фосфорних кислот (Н2РО4-, НРО42-).
Багато катіони характеризуються нерівномірним розподілом між клітиною і навколишнім середовищем. Наприклад, для цитоплазми характерна більш висока концентрація К +, ніж для навколишнього середовища клітини, між тим, в тій же цитоплазмі концентрація Na + і Са2 + буде нижче, ніж зовні клітини. Як зовнішнього середовища по по відношенню до клітки може виступати не тільки природне середовище, наприклад, океан, але і рідини всередині живого організму, такі як кров або тканинна рідина, близькі за своїм іонного складу до морської води. У процесі життєдіяльності нерівномірний розподіл катіонів між клітинами і навколишнім середовищем постійно підтримується, на це витрачається значна частина енергії в клітинах. Така нерівномірна концентрація іонів між клітинами і навколишнім середовищем необхідна для багатьох процесів життєдіяльності, наприклад, для передачі збудження по нервовим і м'язовим клітинам або скорочення м'язів. Коли клітина вмирає, концентрація катіонів всередині неї і зовні швидко стає однаковою.
Кислотність цитоплазми клітини в процесі життєдіяльності практично нейтральна (тобто значення концентрації іонів водню (рН) в цитоплазмі знаходиться в діапазоні 6,5-7,5). Це відбувається незважаючи на те, що в процесі життєдіяльності в клітині утворюються і луги, і кислоти. Важливу роль в підтримці нейтральній кислотності грають аніони слабких кислот (НСО3-, НРО42-), що містяться в клітці. Аніони слабких кислот нейтралізують внутрішньоклітинну середу, пов'язуючи протони кислот і гідроксильні іони лугів.
Необхідно відзначити, що аніони слабких кислот вступають в хімічні реакції, що відбуваються в клітині. Наприклад, для синтезу АТФ, одного з важливих дзвінків для клітини, необхідні аніони фосфорної кислоти. Про синтезі АТФ я розповім більш докладно пізніше. Неорганічні речовини в живих організмах містяться не тільки в розчиненому, але і в твердому стані. Як приклад можна привести кістки, де переважає фосфат кальцію і в меншій кількості фосфат магнію. У раковинах молюсків переважає карбонат кальцію.
Перейти до змісту.
from your own site.
