Воде обладает уникальными химические и физические свойства. Взгляните на рисунок 6.1: молекула воды (Н2О) состоит из двух атомов водорода, соединенных с атомом кислорода ковалентными связями. На полюсах молекулы воды находятся
положительные и отрицательный заряды, то есть она полярная. Благодаря этому две соседние молекулы обычно взаимно притягиваются за счет сил электростатического взаимодействия между отрицательным зарядом атома кислорода одной молекулы и положительным зарядом атома водорода другой. При этом возникает водородная связь (рис. 6.2), в 15-20 раз слабее ковалентная. Когда вода находится в жидком состоянии, ее молекулы непрерывно движутся и водородные связи постоянно то разрываются, то возникают вновь.
Часть молекул воды формирует водную оболочку вокруг некоторых соединений (например, белков). Такую воду называют связанной, или структурированной (4-5% общего количества воды в организмах). Структурированная вода формирует водную оболочку вокруг определенных молекул, предотвращает их взаимодействия. Кроме того, вода участвует в поддержании структуры определенных молекул, например белков. Остальные 95-96% воды называется свободной: она не связана с другими соединениями.
Зависимости от температуры среды вода способна изменять агрегатное состояние. Снижения температуры вода из жидкого состояния может переходить в твердое, а за повышение - в газовать.
Образование кристаллов льда в клетках организмов разрушает клеточные структуры. Это приводит к гибели клеток и всего организма. Именно поэтому млекопитающих и человека невозможно заморозить, а затем - разморозить без потери способности восстанавливать процессы жизнедеятельности.
Под влиянием растворенных в ней веществ вода может менять свои свойства, в частности точки температур замерзания (плавления) и кипения, что имеет важное биологическое значение. Например, в клетках растений с наступлением зимы повышается концентрация растворов углеводов, членистоногих - глицерина, рыб - белков и т.д.. Это снижает температуру, при которой вода переходит в твердое состояние, что предотвращает промерзание. Представьте себе: среди насекомых известны льодовичникы (рис. 6.3), способны сохранять активность на снежном покрове (они живут и в Украине). Молекулам воды присуща способность к ионизации, когда они расщепляются на ионы водорода и гидроксила. Хотя ионизация химически чистой воды очень слабая (при температуре +25 ° С из 107 молекул только одна находится в ионизированном состоянии), она играет важную биологическую роль. От концентрации ионов водорода, которую оценивают по водородным показателем (рН - значение отрицательного десятичного логарифма концентрации ионов Н +), зависят структурные особенности и активность макромолекул и т.д.. Нейтральной реакции раствора соответствует рН 7,0. Если его значение ниже-реакция раствора кислая, выше - щелочная. В разных частях организма и даже одной клетки можно наблюдать разные значения водородного показателя. Это важно для осуществления процессов обмена веществ, поскольку одни ферменты активны в щелочной среде, другие - в кислой. Например, у инфузории-туфельки пищеварительные вакуоли периодически «путешествуют» по клетке, оказываясь то в кислой, то в щелочной среде. При этом последовательно активные то одни пищеварительные ферменты, то другие, способствует лучшему перевариванию питательных веществ. Вспомните: у человека и млекопитающих ферменты желудочного сока активны в кислой среде, а поджелудочного - в щелочной.
Водные растворы, способные противостоять изменению их показателя рН при добавлении определенного количества кислоты или щелочи, называют буферными системами. Они состоят из слабой кислоты (донора Н +) и основы (акцептора Н +), способных соответствии связывать ионы гидроксила (ОН-) и водорода (Н +), благодаря чему рН внутри клетки почти не изменяется.
Вода определяет физические свойства клеток - объем и внутриклеточное давление (тургор). По сравнению с другими жидкостями в нее относительно высокие температуры кипения и плавления, что обусловлено водородными связями между молекулами воды.
Вода - значительно лучше растворитель, чем большинство других известных жидкостей. Поэтому все вещества подразделяют на хорошо растворимые в воде (гидрофильные) и нерастворимые (гидрофобные).
К гидрофильных соединений предстоит много кристаллических солей, например поваренная соль (NaCl), глюкоза, фруктоза, тростниковый сахар и т.д.. Гидрофильные соединения содержат полярные (частично заряженные) группы, способные взаимодействовать с молекулами воды или ионизуватися (образовывать заряженные ионы из нейтральных частей своей молекулы). Это, например, аминокислоты, содержащие карбоксильные (-СООН) и аминные (-NH2) группы.
Гидрофобные вещества (почти все липиды, некоторые белки) содержат неполярные группы, которые не взаимодействуют с молекулами воды. Они растворяются преимущественно в неполярных органических растворителях (хлороформ, бензол).
Существуют и амфифильных вещества, например фосфолипиды (соединения липидов с остатками ортофосфатнои кислоты), липопротеиды (соединения липидов с белками), много белков. Одна часть молекулы этих соединений проявляет гидрофильные свойства, другая - гидрофобные.
Когда определенная соединение переходит в раствор, ее молекулы приобретают способность к движению и их реакционная способность возрастает. Именно поэтому большая часть биохимических реакций происходит в водных растворах.
Вода как универсальный растворитель играет важную роль в обмене веществ. Проникновение веществ в клетку и выведение из нее продуктов жизнедеятельности возможно в основном лишь в растворенном состоянии.
Вода как универсальный растворитель играет чрезвычайно важную роль в транспорте различных соединений в живых организмах. Растворы органических и неорганических веществ растения транспортируют по ведущим тканях или межклетниках. У животных такую функцию выполняют кровь, лимфа, тканевая жидкость и т.д..
Вода участвует в сложных биохимических превращениях. Например, при участии воды происходят реакции гидролиза - расщепления органических соединений с присоединением к местам разрывов ионов Н + и ОН-.
С водой связана способность организмов регулировать свой тепловой режим. Ей свойственна высокая теплоемкость, которая предопределяет способность поглощать тепло при незначительных изменений собственной температуры. Теплоемкость - количество тепла, необходимого для нагревания тела или среды на 1 ° С. Благодаря этому вода предотвращает резким изменениям температуры в клетках и организме в целом при резких ее колебаний в окружающей среде. Поскольку на испарение воды расходуется много теплоты, организмы таким образом защищают себя от перегрева (например, транспирация у растений, потоотделение у млекопитающих, испарения влаги со слизистых оболочек животных).
Благодаря высокой теплопроводности вода обеспечивает равномерное распределение тепла между тканями и органами организма. Например, благодаря циркуляции жидкостей внутренней среды у животных или движения растворов по телу растения.
Водные растворы определенных соединений служат маслом, защищает поверхности постоянно подвергаются трению. Например, жидкость, которая заполняет полость суставов, облегчает скольжение суставных поверхностей, уменьшая трение между ними. Она также питает хрящ, покрывающий суставные поверхности костей.
Каждому виду организмов присущ водный баланс - определенное соотношение между поступлением воды и ее расходованием. Если расходы воды превышают ее поступления в организм, наблюдают водный дефицит отрицательно влияет на различные процессы жизнедеятельности (у растений - фотосинтеза, транспирации, у растений и животных - терморегуляции, протекания биохимических процессов и т.п.). Поэтому поддержание водного баланса - одно из условий нормального функционирования любого организма.