Типы связей между атомами, играющие важную роль в живых организмах

У большинства элементов атомы нестабильны, т.к. последний их электронный слой заполнен не до конца. Атомы с незаполненными внешними электронными слоями способны вступать в химические реакции, образуя связи с другими атомами. Реакции сопровождаются перегруппировкой электронов, в результате которой внешняя электронная оболочка у каждого атома оказывается заполненной, и атом становится более стабильным.

В живых организмах важную роль играют три типа химических связей.

1. Ионная связь, которая образуется тогда, когда атом отдает другому атому один из нескольких электронов.

2. Ковалентная связь, образующаяся при возникновении у двух атомов обобществленной пары электронов – по одному электрону от каждого атома.

3. Водородная связь, в образовании которой участвует водородный атом, соединенный с каким-нибудь другим атомом ковалентной полярной связью (обычно с атомами кислорода или азота). В составе полярной молекулы водород несет частично положительный заряд. Этот заряд притягивается третьим атомом (как правило, кислорода или азота), несущим частично отрицательный заряд в составе другой полярной молекулы. Такое притяжение и называют водородной связью.

В сравнении с ионной или ковалентной связью одиночная водородная связь – слабая. Она легко рвется, но множество таких связей способно породить силу, на которой в прямом смысле и «держится» все живое. Смысл этой фразы вам станет окончательно ясен несколько позже.

Содержание воды в клетке

Вода – одно из самых распространенных веществ на Земле, она покрывает большую часть земной поверхности и входит в состав всех живых организмов.

Вода составляет почти 80% массы клетки (в головном мозге – 85%, в клетках развивающегося зародыша – 90%). Две трети массы человека составляет вода. Человек может прожить без воды не более 14 дней. Потеря организмом 20% воды может привести к смерти. Однако, не все клетки организмов содержат одинаковое количество воды. Так, в клетках эмали зубов воды около 10%, столь же немного ее в клетках покоящихся семян. В клетках молодого организма воды – около 80%, а в клетках старого – только 60%. Приведенные данные позволяют сделать вывод: чем больше воды в клетке, тем интенсивнее в ней идут обменные процессы.

Структура и свойства молекулы воды

Уникальные свойства воды объясняются структурой ее молекул и определяют ее биологические функции. Формула молекулы воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода и при этом электронейтральна. Но электрический заряд внутри молекулы распределен неравномерно: в области атомов водорода (точнее протонов) преобладает положительный заряд, в области, где расположен кислород, выше плотность отрицательного заряда. Следовательно, частица воды – диполь.

Вследствие того, что электронные облака атомов водорода в молекуле воды оттянуты к атому кислорода, ядра водородных атомов способны взаимодействовать с неподеленными парами электронов атомов кислорода соседних молекул воды, т.е. между молекулами воды образуются водородные связи. Каждая молекула воды имеет два атома водорода и две неподеленные пары электронов, значит она может образовывать водородные связи с четырьмя соседними молекулами воды.

Таким образом, молекулы воды соединяются в удвоенные, утроенные и так далее ассоциированные молекулы (гидраты). В итоге, в жидком состоянии вода состоит из отдельных молекул и ассоциантов типа (Н₂О)х. Способность молекул воды к образованию водородных связей друг с другом существенно влияет на физические свойства этого вещества. Большая теплоемкость, теплота плавления и теплота парообразования воды объясняются тем, что большая часть поглощаемого тепла расходуется на разрыв водородных связей между молекулами.

Вода обладает высокой теплопроводностью. Она практически не сжимается и прозрачна в видимом участке спектра. Наконец, вода – вещество, плотность которого в жидком состоянии больше, чем в твердом (при 4 °С вода имеет максимальную плотность, у льда плотность меньше, поэтому он поднимается на поверхность).

Физические и химические свойства делают воду уникальной жидкостью и определяют ее биологическое значение.

Биологическое значение воды

Роль воды в клетках и в организмах велика. Рассмотрим ее биологические функции, исходя из физических и химических свойств этого уникального вещества.

1. Вода способна к когезии, т.е. к сцеплению своих молекул под действием сил притяжения. Вода способна слипаться сама с собой и с другими веществами (можно, например, воду налить в стакан «с верхом» и она не прольется). Это возможно благодаря поверхностному натяжению воды, из-за которого ее поверхность как бы покрыта «кожицей». Эти физические особенности воды позволяют ей выполнять важную биологическую функцию – определение физических свойств клетки: ее объема и упругости (тургесцентностъ). У круглых червей вода полостной жидкости играет роль гидростатического скелета, выполняя опорную функцию.

2. Способность воды к адгезии. Ее свойство притягиваться любой поверхностью, несущей электрический заряд, позволяет ей подниматься по мелким порам в почве и по сосудам ксилемы у растений на большую высоту.

Структура воды

3. Силы сцепления между молекулами воды обеспечивают ее вязкость, поэтому вода является смазывающим веществом в биологических системах. Например, синовиальная жидкость в суставах позвоночных.

4. Вода – хороший растворитель ионных (полярных), а также некоторых неионных соединений, в молекулах которых присутствуют заряженные (полярные) группы. Любые полярные соединения в воде гидратируются (окружаются молекулами воды), при этом молекулы воды участвуют в образовании структуры молекул органических веществ. Если энергия притяжения молекул воды к молекулам какого-либо вещества больше, чем энергия притяжения между молекулами самого вещества, то вещество растворяется в воде. По отношению к воде различают: гидрофильные вещества (от греч. гидрос – вода и филео – любить), хорошо растворимые в воде, и гидрофобные вещества (от греч. гидрос и фобос – страх), практически нерастворимые в воде.

В молекулах гидрофильных веществ преобладают полярные группы (–ОН; С=О; –СООН; –NH₂), которые способны устанавливать с молекулами воды водородные связи. Гидрофильными свойствами обладают соли, кислоты, щелочи, белки, углеводы.

Гидрофобные вещества имеют неполярные молекулы, которые отталкиваются молекулами воды. В воде не растворяются жиры, бензин, полиэтилен и другие вещества.

Свойство воды как растворителя имеет большое значение для живых организмов, так как большинство биохимических реакций может идти только в водном растворе. Кроме того, в качестве растворителя вода обеспечивает как приток веществ в клетку, так и удаление из нее продуктов жизнедеятельности.

5. Подвижность молекул воды объясняется тем, что водородные связи, связывающие соседние молекулы, слабы, что и приводит к постоянным столкновениям ее молекул в жидкой фазе. Молекулярная подвижность воды позволяет осуществляться осмосу (диффузии, направленному движению молекул через полупроницаемую мембрану в более концентрированный раствор), необходимому для поглощения и движения воды в живых системах.

6. Среди самых распространенных в природе жидкостей вода имеет наибольшую теплоемкость, поэтому у нее высокая температура кипения (100°С) и низкая температура замерзания (0 °С). Подобные свойства воды позволили ей стать главной составляющей внутриклеточных и внутриорганизменных жидкостей. Правда, температура замерзания воды несколько выше, чем было бы идеально для жизни, так как на Земле обширные территории имеют температуры ниже 0 °С. Если кристаллы льда образуются в живом организме, то они могут разрушить его тонкие внутренние структуры и вызвать его гибель. У озимой пшеницы, у ряда насекомых, у лягушек в организме есть природные антифризы, предотвращающие образование льда в их клетках.

7. «Необычная» плотность и «поведение» воды вблизи точки замерзания приводят к тому, что лед плавает на поверхности водоемов, создавая изолирующий слой, который при низких температурах защищает водных обитателей и водоем от полного промерзания.

8. Вода обладает большой удельной теплотой парообразования, поэтому, испаряясь, вода способствует охлаждению тела (при испарении 1 г воды тело теряет 2430 Дж энергии). Известно, что за день тяжелой работы человек теряет до 10 л пота. Если бы пот во время работы не выделялся и не испарялся, то организм «нагрелся» бы до 100 С. Испарение воды с поверхности листьев растений в ходе транспирации также способствует охлаждению.

9. Вода является реагентом во многих химических реакциях. Например, гидролитическое расщепление белков, углеводов, жиров и т.д. Вода играет роль источника кислорода, выделяемого при фотосинтезе, и водорода, который используется для восстановления продуктов ассимиляции углекислого газа.

10. Большая теплоемкость и теплопроводность воды способствует равномерному распределению тепла в клетке и в организме.

Таким образом, вода – самая удивительная жидкость на Земле, свойства которой превосходят всякую фантазию. Уникальные свойства воды позволяют ей выполнять не менее уникальные биологические функции.