Вода в биологии: Вода и её роль в жизнедеятельности клетки

Содержание

Реагенты для молекулярной биологии : Вода для ПЦР

Вернуться к: Реагенты для молекулярной биологии

Оставить заявку

Для научных исследований

Имеются все необходимые документы

Срок поставки

Срок поставки: от 5 до 10 рабочих дней.

Описание

ОписаниеХарактеристикиИнструкции

Описание Описание Описание Описание Описание Описание Описание Описание Описание Описание Описание Описание Описание Описание Описание Описание Описание Описание Описание Описание Описание Описание Описание Описание Описание Описание Описание Описание Описание Описание Описание ОписаниеОписание Описание Описание ОписаниеОписание Описание Описание ОписаниеОписание Описание Описание ОписаниеОписание Описание Описание ОписаниеОписание Описание Описание ОписаниеОписание Описание Описание ОписаниеОписание Описание Описание Описание Описание Описание Описание ОписаниеОписание Описание Описание Описание Описание Описание Описание Описание Описание Описание Описание Описание Описание Описание Описание Описание Описание Описание Описание Описание Описание Описание Описание Описание Описание Описание Описание Описание Описание Описание Описание Описание Описание Описание Описание ОписаниеОписание Описание Описание ОписаниеОписание Описание Описание ОписаниеОписание Описание Описание ОписаниеОписание Описание Описание ОписаниеОписание Описание Описание ОписаниеОписание Описание Описание ОписаниеОписание Описание Описание Описание Описание Описание Описание ОписаниеОписание Описание Описание Описание

Функции воды и других неорганических веществ в клетке

Вода играет важнейшую роль в жизни клеток и живых организмов в целом. Помимо того, что она входит в их состав, для многих организмов это еще и среда обитания. Роль воды в клетке определяется ее свойствами. Свойства эти довольно уникальны и связаны главным образом с малыми размерами молекул воды, с полярностью ее молекул и с их способностью, соединяться друг с другом водородными связями.

Молекулы воды имеют нелинейную пространственную структуру. Атомы в молекуле воды удерживаются посредством полярных ковалентных связей, которые связывают один атом кислорода с двумя атомами водорода. Полярность ковалентных связей (т.е. неравномерное распределение зарядов) объясняется в данном случае сильной электроотрицательностью атомов кислорода по отношению к атому водорода; атом кислорода оттягивает на себя электроны из общих электронных пар.

Вследствие этого на атоме кислорода возникает частично Отрицательный заряд, а на атомах водорода — частично положительный. Между атомами кислорода и водорода соседних молекул возникают водородные связи.

Благодаря образованию водородных связей молекулы воды им одна с другой, что и обусловливает ее исходное состояние при нормальных условиях.

Вода является превосходным растворителем для полярных веществ, например солей, сахаров, спиртов, кислот и др. Вещества хорошо растворимые в воде, называются гидрофильными.

Абсолютно неполярные вещества типа жиров или масел вода не растворяет и не смешивается с ними, поскольку она не может образовывать с ними водородные связи. Нерастворимые в воде вещества называются гидрофобными.

Вода обладает высокой удельной теплоемкостью. Для разрыва водородных связей, удерживающих молекулы воды, требуется поглотить большое количество энергии. Это свойство обеспечивает поддержание теплового баланса организма при значительных перепадах температуры в окружающей среде. Кроме того, вода обладает высокой теплопроводностью, что позволяет организму поддерживать одинаковую температуру во всем его объеме.

Вода обладает также высокой теплотой парообразования, т.е. способностью молекул уносить с собой значительное количество тепла, охлаждая организм. Это свойство воды используется при потоотделении у млекопитающих, тепловой одышке у крокодилов и транспирации у растений, предотвращая их перегрев.

Для воды характерно исключительно высокое поверхностное натяжение. Это свойство имеет очень важное значение для адсорбционных процессов, для передвижения растворов по тканям (кровообращение, восходящий и нисходящий токи в теле растений). Многие мелкие организмы извлекают для себя пользу из поверхностного натяжения: оно позволяет им удерживаться на воде или скользить по ее поверхности.

Биологические функции воды

Транспортная. Вода обеспечивает передвижение веществ в клетке и организме, поглощение веществ и выведение продуктов метаболизма.

Метаболическая. Вода является средой для всех биохимических реакций в клетке. Ее молекулы участвуют во многих химических реакциях, например при образовании или гидролизе полимеров. В процессе фотосинтеза вода является донором электронов и источником атомов водорода. Она же является источником свободного кислорода.

Структурная. Цитоплазма клеток содержит от 60 до 95 % воды. У растений вода определяет тургор клеток, а у некоторых животных выполняет опорные функции, являясь гидростатическим скелетом (круглые и кольчатые черви, иглокожие).

Вода участвует в образовании смазывающих жидкостей (синовиальная в суставах позвоночных; плевральная в плевральной полости, перикардиальная в околосердечной сумке) и слизей (которые облегчают передвижение веществ по кишечнику, создают влажную среду на слизистых оболочках дыхательных путей). Она входит в состав слюны, желчи, слез, спермы и др.

Минеральные соли

Молекулы солей в водном растворе диссоциируют на катионы и анионы. Наибольшее значение имеют катионы: К⁺, Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺ и анионы: Cl^—, H₂PO₄^—, HPO₄^2-, HCO₃^—, NO₃^—, SO₄^2-. Существенным является не только содержание, но и соотношение ионов в клетке.

Разность между количеством катионов и анионов на поверхности и внутри клетки обеспечивает возникновение потенциала действия, что лежит в основе нервного и мышечного возбуждения. С разностью концентрации ионов по разные стороны мембраны связывают активный перенос веществ через мембрану, а также преобразование энергии.

Анионы фосфорной кислоты создают фосфатную буферную систему, поддерживающую pH внутриклеточной среды организма на уровне 6,9.

Угольная кислота и ее анионы создают бикарбонатную буферную систему, которая поддерживает рН внеклеточной среды (плазма крови) на уровне 7,4.

Некоторые ионы участвуют в активации ферментов, создании осмотического давления в клетке, в процессах мышечного сокращения, свертывании крови и др.

Некоторые катионы и анионы могут включаться в комплексы с различными веществами (например, анионы фосфорной кислоты входят в состав фосфолипидов, АТФ, нуклеотидов и др. ; ион Fe²⁺ входит в состав гемоглобина и т.д.).

Читать далее

← Состав клетки. Химические элементы в составе клетки

Липиды. Строение, свойства и функции липидов →

2.2 Вода – Биология 2e

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете делать следующее:

Описывать свойства воды, которые имеют решающее значение для поддержания жизни
Объясните, почему вода является отличным растворителем
Приведите примеры когезионных и адгезивных свойств воды
Обсудите роль кислот, оснований и буферов в гомеостазе

Почему ученые тратят время на поиски воды на других планетах? Почему вода так важна? Это потому, что вода необходима для жизни, какой мы ее знаем. Вода — одна из самых распространенных молекул и наиболее важная для жизни на Земле. Вода составляет примерно 60–70 процентов человеческого тела. Без него жизнь, какой мы ее знаем, просто не существовала бы.

Полярность молекулы воды и образовавшаяся в результате водородная связь делают воду уникальным веществом с особыми свойствами, тесно связанными с жизненными процессами. Первоначально жизнь развивалась в водной среде, и большая часть клеточной химии и метаболизма организма происходит внутри водянистого содержимого цитоплазмы клетки. Особыми свойствами воды являются ее высокая теплоемкость и теплота парообразования, ее способность растворять полярные молекулы, ее когезионные и адгезивные свойства, а также ее диссоциация на ионы, что приводит к образованию рН. Понимание этих характеристик воды помогает понять ее важность для поддержания жизни.

Полярность воды

Одним из важных свойств воды является то, что она состоит из полярных молекул: водород и кислород внутри молекул воды (H ₂ O) образуют полярные ковалентные связи. В то время как у молекулы воды нет чистого заряда, полярность воды создает слегка положительный заряд на водороде и слегка отрицательный заряд на кислороде, способствуя свойствам притяжения воды. Вода генерирует заряды, потому что кислород более электроотрицательный, чем водород, что делает более вероятным, что общий электрон будет находиться рядом с ядром кислорода, чем ядро водорода, таким образом создавая частичный отрицательный заряд рядом с кислородом.

В результате полярности воды каждая молекула воды притягивает другие молекулы воды из-за противоположных зарядов между молекулами воды, образуя водородные связи. Вода также притягивает или притягивается к другим полярным молекулам и ионам. Мы называем полярное вещество, легко взаимодействующее с водой или растворяющееся в ней, гидрофильным (гидро- = «вода»; -philic = «любящий»). Напротив, неполярные молекулы, такие как масла и жиры, плохо взаимодействуют с водой, как показано на рис. 2.13. Хорошим примером этого является заправка для салата из уксуса и масла (кислый водный раствор). Мы называем такие неполярные соединения гидрофобными (гидро- = «вода»; -фоб = «боязнь»).

Рисунок
2.13

Полярность воды. Полярность воды обусловлена различной электроотрицательностью водорода и кислорода. В результате водородные связи образуются при
слегка отрицательный кислород одной молекулы воды притягивается слегка положительным водородом другой молекулы воды. Авторы и права: Рао А., Флетчер С., Райан К.,
Таг, А. и Хокинс, А. Факультет биологии, Техасский университет A&M

Состояния воды: газ, жидкость и твердое тело

Образование водородных связей является важным качеством жидкой воды, которое имеет решающее значение для жизни, какой мы ее знаем. Поскольку молекулы воды образуют водородные связи друг с другом, вода приобретает некоторые уникальные химические характеристики по сравнению с другими жидкостями, и, поскольку живые существа имеют высокое содержание воды, понимание этих химических свойств является ключом к пониманию жизни. В жидкой воде водородные связи постоянно образуются и разрываются, когда молекулы воды скользят друг относительно друга. Движение молекул воды (кинетическая энергия) вызывает разрыв связей за счет тепла, содержащегося в системе. Когда тепло повышается при кипении воды, более высокая кинетическая энергия молекул воды приводит к полному разрыву водородных связей и позволяет молекулам воды выходить в воздух в виде газа (пара или водяного пара). В качестве альтернативы, когда температура воды снижается и вода замерзает, молекулы воды образуют кристаллическую структуру, поддерживаемую водородными связями (энергии недостаточно для разрыва водородных связей), что делает лед менее плотным, чем жидкая вода, явление, которое мы не наблюдаем, когда другие жидкости затвердевают.

Меньшая плотность воды в твердом состоянии обусловлена тем, как ориентируются водородные связи при замерзании: молекулы воды расходятся дальше друг от друга по сравнению с жидкой водой. Для большинства других жидкостей затвердевание при падении температуры включает снижение кинетической энергии между молекулами, что позволяет им упаковываться даже более плотно, чем в жидкой форме, и придает твердому телу большую плотность, чем жидкость.

Низкая плотность льда, как показано на рис. 2.14, аномалия заставляет его плавать на поверхности жидкой воды, например, в айсберге или кубиках льда в стакане воды. В озерах и прудах лед образуется на поверхности воды, создавая изолирующий барьер, который защищает животных и растения в пруду от замерзания. Без этого изолирующего слоя льда растения и животные, живущие в пруду, замерзли бы в сплошной глыбе льда и не смогли бы выжить. Расширение льда относительно жидкой воды вызывает губительное действие замерзания на живые организмы. Кристаллы льда, образующиеся при замораживании, разрывают тонкие мембраны, необходимые для функционирования живых клеток, необратимо повреждая их. Клетки могут пережить замораживание только в том случае, если другая жидкость, такая как глицерин, временно заменит воду в них.

Рисунок
2.14

Водородная связь делает лед менее плотным, чем жидкая вода. (а) решетчатая структура льда делает его менее плотным, чем свободно текущие молекулы жидкой воды, что позволяет ему (б) плавать на поверхности воды. (кредит а: модификация работы Джейн Уитни, изображение создано с использованием программного обеспечения Visual Molecular Dynamics (VMD) ¹; кредит б: модификация работы Карлоса Понте)

Ссылка на обучение

Щелкните здесь, чтобы увидеть трехмерную анимацию структуры ледяной решетки.

Высокая теплоемкость воды

Высокая теплоемкость воды — это свойство, которое вызывается водородными связями между молекулами воды. Вода обладает наибольшей удельной теплоемкостью среди всех жидкостей. Мы определяем удельную теплоемкость как количество тепла, которое должен поглотить или отдать один грамм вещества, чтобы изменить его температуру на один градус Цельсия. Для воды это количество составляет одну калорию. Поэтому вода долго нагревается и долго охлаждается. На самом деле удельная теплоемкость воды примерно в пять раз больше, чем у песка. Это объясняет, почему суша остывает быстрее, чем море. Благодаря высокой теплоемкости теплокровные животные используют воду для более равномерного распределения тепла в своем теле: она действует аналогично системе охлаждения автомобиля, перенося тепло из теплых мест в холодные, заставляя тело поддерживать более равномерную температуру. температура.

Теплота испарения воды

Вода также имеет высокую теплоту парообразования, количество энергии, необходимое для превращения одного грамма жидкого вещества в газ. Для осуществления этого превращения воды требуется значительное количество тепловой энергии (586 кал). Этот процесс происходит на поверхности воды. Когда жидкая вода нагревается, водородные связи затрудняют отделение молекул жидкой воды друг от друга, что необходимо для ее перехода в газообразную фазу (пар). В результате вода действует как поглотитель или резервуар тепла, и для ее кипения требуется гораздо больше тепла, чем для такой жидкости, как этанол (зерновой спирт), водородная связь которого с другими молекулами этанола слабее, чем водородная связь воды. В конце концов, когда вода достигает точки кипения 100 ° по Цельсию (212 ° по Фаренгейту), тепло может разорвать водородные связи между молекулами воды, а кинетическая энергия (движение) между молекулами воды позволяет им покинуть жидкость. как газ. Даже когда температура ниже точки кипения, отдельные молекулы воды получают достаточно энергии от других молекул воды, так что некоторые молекулы воды с поверхности могут ускользнуть и испариться: мы называем этот процесс испарением.

Тот факт, что водородные связи должны быть разорваны, чтобы вода испарилась, означает, что связи используют в процессе значительное количество энергии. Когда вода испаряется, процесс потребляет энергию, охлаждая окружающую среду, в которой происходит испарение. У многих живых организмов, в том числе и у человека, испарение пота, состоящего на 90% из воды, позволяет организму охлаждаться, чтобы поддерживать гомеостаз температуры тела.

Растворяющие свойства воды

Поскольку вода представляет собой полярную молекулу со слегка положительным и слегка отрицательным зарядом, ионы и полярные молекулы могут легко растворяться в ней. Поэтому мы называем воду растворителем, веществом, способным растворять другие полярные молекулы и ионные соединения. Заряды, связанные с этими молекулами, будут образовывать водородные связи с водой, окружая частицу молекулами воды. Мы называем это сферой гидратации или гидратной оболочкой, как показано на рис. 2.15, и она служит для разделения или диспергирования частиц в воде.

Когда мы добавляем в воду ионные соединения, отдельные ионы реагируют с полярными областями молекул воды, и их ионные связи разрываются в процессе диссоциации. Диссоциация происходит, когда атомы или группы атомов отрываются от молекул и образуют ионы. Рассмотрим поваренную соль (NaCl или хлорид натрия): когда мы добавляем кристаллы NaCl в воду, молекулы NaCl диссоциируют на ионы Na ⁺ и Cl ^–, и вокруг ионов образуются сферы гидратации, как показано на рис. 2.15. Частично отрицательный заряд кислорода молекулы воды окружает положительно заряженный ион натрия. Частично положительный заряд водорода на молекуле воды окружает отрицательно заряженный ион хлорида.

Рисунок
2,15

Когда мы смешиваем поваренную соль (NaCl) с водой, она образует вокруг ионов гидратированные сферы.

Когезионные и адгезионные свойства воды

Вы когда-нибудь наполняли стакан водой до самого верха, а затем медленно добавляли еще несколько капель? Прежде чем перелиться через край, вода образует куполообразную форму над краем стакана. Эта вода может оставаться над стеклом благодаря свойству когезии. При когезии молекулы воды притягиваются друг к другу (из-за водородных связей), удерживая молекулы вместе на границе раздела жидкость-газ (вода-воздух), хотя в стекле больше нет места.

Когезия учитывает поверхностное натяжение, способность вещества выдерживать разрыв при напряжении или напряжении. По этой же причине вода образует капли на сухой поверхности, а не сплющивается под действием силы тяжести. Когда мы кладем небольшой клочок бумаги на каплю воды, бумага всплывает на поверхность, даже несмотря на то, что бумага плотнее (тяжелее), чем вода. Когезия и поверхностное натяжение сохраняют водородные связи молекул воды неповрежденными и поддерживают плавание предмета на поверхности. Иголку можно даже «поплавать» над стаканом с водой, если поместить ее осторожно, не нарушая поверхностного натяжения, как показано на рис. 2.16.

Рисунок
2.16

Вес иглы тянет поверхность вниз. В то же время поверхностное натяжение тянет его вверх, удерживая на поверхности воды, не давая ему утонуть. Обратите внимание на углубление в воде вокруг иглы. (кредит: Кори Занкер)

Эти когезионные силы связаны со свойством воды прилипать или притяжением между молекулами воды и другими молекулами. Это притяжение иногда сильнее, чем силы сцепления воды, особенно когда вода подвергается воздействию заряженных поверхностей, например, внутри тонких стеклянных трубок, известных как капиллярные трубки. Мы наблюдаем адгезию, когда вода «поднимается» вверх по трубке, помещенной в стакан с водой: обратите внимание, что вода кажется выше по бокам трубки, чем в середине. Это связано с тем, что молекулы воды притягиваются к заряженным стеклянным стенкам капилляра больше, чем друг к другу, и поэтому прилипают к нему. Мы называем этот тип адгезии капиллярным действием, как показано на рис. 2.17.

Рисунок
2.17

Силы сцепления, создаваемые внутренней поверхностью стекла, превышающие силы сцепления между самими молекулами воды, вызывают капиллярное действие в стеклянной трубке. (кредит: модификация работы Пирсона-Скотта Форесмана, переданная в дар Фонду Викимедиа)

Почему когезионные и адгезионные силы важны для жизни? Когезионные и адгезионные силы важны для транспортировки воды от корней к листьям растений. Эти силы создают «притяжение» к толще воды. Это притяжение возникает из-за тенденции молекул воды, испаряющихся на поверхности растения, оставаться связанными с молекулами воды под ними, и поэтому они притягиваются. Растения используют это природное явление, чтобы переносить воду от корней к листьям. Без этих свойств воды растения не смогли бы получать воду и растворенные минералы, которые им необходимы. В другом примере насекомые, такие как водомерка, как показано на рис. 2.18, используют поверхностное натяжение воды, чтобы оставаться на плаву в поверхностном слое воды и даже спариваться там.

Рисунок
2.18

Когезионные и липкие свойства воды позволяют этому водомеру ( Gerris sp.) оставаться на плаву. (кредит: Тим Викерс)

pH, буферы, кислоты и основания

pH раствора указывает на его кислотность или щелочность.

h3O(I)↔H+(водн.)+OH-(водн.)h3O(I)↔H+(водн.)+OH-(водн.)

Возможно, вы использовали лакмусовую или pH-бумагу, фильтровальную бумагу, обработанную натуральной водой. растворимый краситель для использования в качестве индикатора рН. Он проверяет, сколько кислоты (кислотность) или основания (основность) существует в растворе. Возможно, вы даже использовали некоторые из них, чтобы проверить, правильно ли очищается вода в бассейне. В обоих случаях тест pH измеряет концентрацию ионов водорода в данном растворе.

Ионы водорода спонтанно образуются в чистой воде путем диссоциации (ионизации) небольшого процента молекул воды на равное количество ионов водорода (H ⁺ ) и ионов гидроксида (OH ^— ). В то время как ионы гидроксида удерживаются в растворе за счет водородных связей с другими молекулами воды, ионы водорода, состоящие из голых протонов, немедленно притягиваются к неионизированным молекулам воды, образуя ионы гидроксония (H ₃ O ⁺ ). Тем не менее, условно ученые относятся к ионам водорода и их концентрации так, как если бы они находились в этом состоянии в жидкой воде в свободном состоянии.

Концентрация ионов водорода, диссоциирующих из чистой воды, составляет 1×10 ^-7 молей H ⁺ ионов на литр воды. Моли (моль) — это способ выражения количества вещества (которым могут быть атомы, молекулы, ионы и т. д.). Один моль представляет собой атомный вес вещества, выраженный в граммах, который равен количеству вещества, содержащему столько единиц, сколько атомов содержится в 12 граммах ¹² C. Математически один моль равен 6,02 × 10 ²³ частиц вещества. Следовательно, 1 моль воды равен 6,02 × 10 ²³ молекул воды. Мы рассчитываем pH как отрицательную величину логарифма по основанию 10 этой концентрации. Log10 1 × 10 ^-7 равен -7,0, и отрицательное значение этого числа (обозначаемое буквой «p» в «pH») дает значение pH 7,0, что также является нейтральным значением pH. pH внутри человеческих клеток и крови являются примерами двух областей тела, где поддерживается почти нейтральный pH.

Ненейтральные значения рН возникают в результате растворения кислот или оснований в воде. Используя отрицательный логарифм для получения положительных целых чисел, высокие концентрации ионов водорода дают низкое значение pH; тогда как низкие уровни ионов водорода приводят к высокому pH. Кислота — это вещество, которое увеличивает количество ионов водорода (H ⁺ ) концентрации в растворе, обычно за счет диссоциации одного из его атомов водорода. Основание обеспечивает либо гидроксид-ионы (OH ^—), либо другие отрицательно заряженные ионы, которые соединяются с ионами водорода, уменьшая их концентрацию в растворе и тем самым повышая pH. В тех случаях, когда основание высвобождает ионы гидроксида, эти ионы связываются со свободными ионами водорода, образуя новые молекулы воды.

Чем сильнее кислота, тем легче она отдает H ⁺ . Например, соляная кислота (HCl) полностью диссоциирует на ионы водорода и хлорида и является очень кислой; тогда как кислоты в томатном соке или уксусе полностью не диссоциируют и являются слабыми кислотами. И наоборот, сильные основания — это те вещества, которые легко отдают ОН ^– или поглощают ионы водорода. Гидроксид натрия (NaOH) и многие бытовые чистящие средства сильно щелочные и быстро выделяют OH ^–, когда мы помещаем их в воду, тем самым повышая pH. Примером слабощелочного раствора является морская вода с pH около 8,0. Это достаточно близко к нейтральному pH, к которому морские организмы приспособились, чтобы жить и процветать в соленой среде.

Шкала рН, как мы упоминали ранее, является обратным логарифмом и колеблется от 0 до 14 (рис. 2.19).). Все, что ниже 7,0 (от 0,0 до 6,9), является кислотным, а все, что выше 7,0 (от 7,1 до 14,0), является щелочным. Экстремальные значения pH в любом направлении от 7,0 обычно неблагоприятны для жизни. pH внутри клеток (6,8) и pH крови (7,4) очень близки к нейтральному. Однако среда в желудке очень кислая, с рН от 1 до 2. В результате, как клетки желудка выживают в такой кислой среде? Как они гомеостатически поддерживают внутри себя близкий к нейтральному рН? Ответ в том, что они не могут этого сделать и постоянно умирают. Желудок постоянно производит новые клетки для замены мертвых, которые перевариваются желудочными кислотами. Ученые подсчитали, что человеческое тело полностью заменяет слизистую оболочку желудка каждые семь-десять дней.

Рисунок
2.19

Шкала pH измеряет концентрацию ионов водорода (H ⁺ ) в растворе. (кредит: модификация работы Эдварда Стивенса)

Ссылка на обучение

Посмотрите это видео, чтобы получить простое объяснение pH и его логарифмической шкалы.

Как могут организмы, чьим телам требуется рН, близкий к нейтральному, поглощать кислые и щелочные вещества (например, человек, пьющий апельсиновый сок) и выживать? Буферы — это ключ. Буферы легко поглощают избыток H ⁺ или OH ^–, тщательно поддерживая pH тела в узком диапазоне, необходимом для выживания. Поддержание постоянного рН крови имеет решающее значение для благополучия человека. Буфер, поддерживающий pH крови человека, включает угольную кислоту (H ₂ CO ₃), ион бикарбоната (HCO ₃ ^–) и диоксид углерода (CO ₂). Когда ионы бикарбоната объединяются со свободными ионами водорода и становятся угольной кислотой, они удаляются из ионов водорода и смягчают изменения рН. Точно так же, как показано на рис. 2.20, избыток углекислоты может превращаться в углекислый газ, который мы выдыхаем через легкие. Это предотвращает накопление слишком большого количества свободных ионов водорода в крови и опасное снижение pH крови. Аналогично, если слишком много OH ^– попадает в систему, угольная кислота соединяется с ним, образуя бикарбонат, снижая рН. Без этой буферной системы рН тела колебался бы достаточно, чтобы поставить под угрозу выживание.

Рисунок
2.20

На этой диаграмме показана буферизация организмом уровней pH крови. Синие стрелки показывают процесс повышения pH по мере производства большего количества CO ₂. Фиолетовые стрелки указывают на обратный процесс: понижение pH по мере образования большего количества бикарбоната.

Другими примерами буферов являются антациды, которые некоторые люди используют для борьбы с избытком желудочной кислоты. Многие из этих безрецептурных лекарств действуют так же, как буферы крови, обычно по крайней мере с одним ионом, способным поглощать водород и снижать рН, принося облегчение тем, кто страдает от «изжоги» после еды. Уникальные свойства воды, которые способствуют этой способности уравновешивать pH, а также другие характеристики воды, необходимы для поддержания жизни на Земле.

Химия биологии: вода

Вода — одна из самых уникальных молекул, известных человеку, а также одна из самых важных для биологических систем. Мало того, что вода существует в природе во всех трех агрегатных состояниях (твердое, жидкое и газообразное), она также покрывает 75 процентов земли и составляет примерно 78 процентов человеческого тела.

Уникальность воды заключается в ее молекулярной структуре. Поскольку это полярная ковалентная молекула, она имеет небольшой положительный и небольшой отрицательный заряд на противоположных концах. Рассмотрите иллюстрацию Молекула воды и обратите внимание на две важные характеристики. Во-первых, обратите внимание на расположение небольших положительных и отрицательных концов. Во-вторых, заметьте, что вода — это изогнутая молекула, а не линейная или прямая.

Поскольку вода представляет собой изогнутую частично полярную молекулу, она обладает следующими биологически важными характеристиками того, что образуется в результате соединения многих молекул воды — все они имеют решающее значение для создания и поддержания жизни на Земле:

Молекула воды .

Полярность
Водородная связь
Когезия
Поверхностное натяжение

Полярность

Полярность просто означает, что молекула имеет как положительно, так и отрицательно заряженный конец. Что еще более важно, полярность воды отвечает за эффективное растворение других полярных молекул, таких как сахара и ионные соединения, такие как соль. Ионные соединения растворяются в воде с образованием ионов. Это важно помнить, потому что для большинства биологических реакций реагенты должны быть растворены в воде. Поскольку вода способна растворять так много обычных веществ, она известна как универсальный растворитель . Вещества, которые не растворяются в воде (например, масла), называются жирорастворимыми и представляют собой неполярные, неионогенные соединения, которые связаны сильными ковалентными связями. Нерастворимые вещества, такие как клеточные мембраны и клеточные стенки, являются отличными контейнерами для воды.

Водородная связь

Когда молекулы воды выравниваются друг с другом, устанавливается слабая связь между отрицательно заряженным атомом кислорода одной молекулы воды и положительно заряженным атомом водорода соседней молекулы воды. Слабая связь, которая часто образуется между атомами водорода и соседними атомами, — это водородная связь . Водородные связи очень распространены в живых организмах; например, между основаниями ДНК образуются водородные связи, помогающие удерживать цепь ДНК вместе. Водородные связи придают молекулам воды две дополнительные характеристики: сцепление и поверхностное натяжение.

Когезия

Из-за обширных водородных связей в воде молекулы имеют тенденцию прилипать друг к другу в регулярном порядке. Это явление, называемое когезией , легко наблюдать, когда вы осторожно наполняете стакан водой и наблюдаете, как молекулы воды удерживаются вместе над краем до тех пор, пока гравитация не возьмет верх над водородной связью и молекулы воды не потекут по стенкам стакана. Точно так же когезионное свойство воды позволяет высоким деревьям доставлять воду к своим самым высоким листьям из подземных источников.

Bionote

Чтобы избежать боли при падении на живот, дайверы сначала входят в воду руками или ногами, чтобы сломать поверхностное натяжение воды.

Поверхностное натяжение

Особым типом сцепления является поверхностное натяжение . Напряжение на поверхности воды возникает, когда молекулы воды снаружи системы выравниваются и удерживаются вместе водородными связями, создавая эффект, подобный сети, состоящей из атомов. Например, поверхностное натяжение воды позволяет водяным паукам буквально ходить по воде.

Выдержки из Полное руководство по биологии для идиотов © 2004 г., Глен Э. Моултон, Эд. Д.. Все права защищены, включая право на полное или частичное воспроизведение в любой форме. Используется по договоренности с Alpha Books , членом Penguin Group (USA) Inc.