Молекулярная структура и физические свойства воды.

Функции воды и относительное содержание воды в клетках

В тканях растений вода составляет 70 – 95% сырой массы. Содержание воды в растительных тканях сильно различается у разных видов, в различных частях растений, претерпевая сезонные и суточные изменения в одних и тех же тканях. Изменения обусловливаются возрастом ткани, доступностью почвенной влаги и соотношением поглощения воды и транспирации.

Вода обладает уникальными свойствами и играет первостепен­ную роль во всех процессах жизнедеятельности.

Основные функции воды в биологических объектах:

1. Водная среда объединяет все части организма в единое целое. В теле растения водная фаза представляет собой непрерывную среду на всем протяжении от влаги, извлекаемой корнями из почвы, до поверхности раздела жидкость – газ в листьях, где она испаряется.

2. Вода – важнейший растворитель и среда для биохимических реакций.

3. Вода участвует в упорядочении структур в клетках. Например, она входит в состав молекул белков, определяя их конформацию.

4. Вода – метаболит и непосредственный компонент биохимических процессов. Например, в фотосинтезе вода является донором электронов, в цикле Кребса она принимает участие в окислительных процессах. Вода необходима для гидролиза и для многих синтетических процессов.

5. Вода – главный компонент в транспортной системе выс­ших растений при перемещении веществ по симпласту и апопласту.

6. Вода – терморегулирующий фактор. Она защищает тка­ни от резких колебаний температуры благодаря высокой теп­лоемкости и большой удельной теплоте парообразования.

7. Вода – хороший амортизатор при механических воздей­ствиях на организм.

8. Благодаря явлениям осмоса и тургора (напряжения) вода обеспечивает упругое состояние клеток и тканей растительных организмов.

Чтобы вода могла выполнять свои функции, все части растения должны быть в достаточной степени оводнены. Степень оводненности клеток тканей и органов растений определяется относительным содержанием воды (ОСВ).

т^сыр – т^сух

ОСВ = ––––––––––––––

т^{сыр.нас} – т^сух

где т^сыр и т^сух – соответственно сырая и сухая масса ткани, т^{сыр.нас} – сырая масса в состоянии полного насыщения водой. Когда потребление и потери воды у растения сбалансированы, ОСВ поддерживается на постоянном уровне. У большинства мезофитов ОСВ составляет 85 – 95 %. Если ОСВ падает ниже некоторого критического значения, ткань отмирает. Критическое значение ОСВ зависит от вида растения и ткани; для тканей мезофитов оно близко в среднем к 50%.

Молекулярная структура и физические свойства воды.

Физические свойства воды

Плотность. Все вещества увеличивают объем при нагре­вании, уменьшая при этом плотность. Однако при давлении 0,1013 МПа (1 атм) у воды в интервале от 0 до 4°С при увели­чении температуры объем уменьшается и максимальная плотность наблюдается при 4°С (при этой температуре 1 см³ воды имеет массу 1 г). При замерзании объем воды резко возрастает на 11 %, а при таянии льда при 0°С так же резко уменьшается. С увеличением давления температура замерзания воды пони­жается через каждые 13,17 МПа (130 атм) на 1 °С. Поэтому на больших глубинах при минусовых температурах вода в океане не замерзает. С увеличением температуры до 100 °С плотность жидкой воды понижается на 4% (при 4°С плотность ее рав­на 1).

Точки кипения и замерзания (плавления). При давлении 0,1013 МПа (1 атм) температура замерзания воды 0°С, температура кипения – 100 °С, что резко отличает Н₂О от соеди­нений водорода с элементами VI группы периодической си­стемы Менделеева. Темпера­тура кипения воды возрастает с увеличением давления, а температура замерзания (плавления) – падает.

Теплота плавления. Скрытая теплота плавления льда очень высока – около 335 Дж/г (для железа – 25, для серы – 40). Это свойство выражается, например, в том, что лед при нормальном давлении может иметь температуру от – 1 до – 7°С. Скрытая теплота парообразования воды (2,3 кДж/г) по­чти в 7 раз выше скрытой теплоты плавления.

Теплоемкость. Величина теплоемкости воды (т. е. ко­личество теплоты, необходимое для повышения температуры на 1 °С) в 5 – 30 раз выше, чем у других веществ. Лишь водо­род и аммиак обладают большей теплоемкостью. Кроме того, лишь у жидкой воды и ртути удельная теплоемкость с повыше­нием температуры от 0 до 35 °С падает (затем начинает возра­стать). Поскольку теплоемкость песка в 5 раз меньше, чем у жидкой воды, то при одинаковом нагреве солнцем вода в водоеме нагревается в 5 раз слабее, чем песок на берегу, но во столько же раз дольше сохраняет теплоту. Высокая теплоемкость воды защищает рас­тения от резкого повышения температуры при высокой темпе­ратуре воздуха, а высокая теплота парообразования участвует в терморегуляции у растений.

Высокие температуры плавления и кипения, высокая те­плоемкость свидетельствуют о сильном притяжении между со­седними молекулами, вследствие чего жидкая вода обладает большим внутренним сцеплением.

Поверхностное натяжение и прилипание. На поверхности воды из-за нескомпенсированности сцепления (когезии) ее молекул создается поверхностное натяжение. Вода обладает также свойством адгезии (прилипания), которое обнаруживается при ее подъеме против гравита­ционных сил. В капиллярах сочетаются силы сцепления молекул воды в пограничном с воздухом слое с ее адгезией с мате­риалом стенок капилляра. В результате в капилляре образуется вогнутая поверхность воды выше ее исходного уровня.

Структура воды

Многие биологические свойства воды определяются ее структурой, то есть соотношением мономерных (одиночных) и ассоциированных (сгруппированных) молекул воды в жидком состоянии

Каждая молекула воды является диполем с тетраэдрическим распределением электронов вокруг атома кислорода и может взаимодействовать с четырьмя другими молекулами воды за счет электростатического взаимодействия атомов Н и О сосед­них молекул, образуя водородные связи.

Водородная связь – это сравнительно слабая связь, так как в жидкой воде энергия, необходимая для ее разрыва, равна 18,84 кДж/моль (энергия ковалентной связи Н–О в молекуле воды составляет 460,4 кДж/моль). Водородные связи непрерыв­но возникают и разрушаются. Время полужизни каждой из них – менее 1 ∙ 10^-9с.

Ионизация. В результате диссоциации молекул во­ды образуются ионы водорода (Н⁺) и гидроксила (ОН ). При 25 °С концентрация водородных или гидроксильных ионов в чистой воде составляет 1 ∙ 10^-7 моль/л, что соответ­ствует рН 7.

Вода как растворитель. Полярность молекулы во­ды обусловливает ее свойство растворять вещества лучше, чем другие жидкости. Растворение кристаллов неорганических со­лей осуществляется благодаря гидратации входящих в их со­став ионов. Хорошо растворяются в воде органические веще­ства, с карбоксильными, гидроксильными, карбонильными и с другими группами которых вода образует водородные связи.

Структура льда и жидкой воды.Вода может находиться в трех агрегатных состояниях – га­зообразном, жидком и твердом. Твер­дое состояние воды бывает кристаллическое — лед и некристаллическое — стеклообразное, аморфное (состояние витрификации), когда при мгновенном замора­живании с помощью, например, жидкого азота молекулы не успевают построиться в кристаллическую решетку. Именно это свой­ство воды позволяет замораживать без повреждения живые ор­ганизмы, такие, как одноклеточные водоросли, листочки мха Mnium, состоящие из двух слоев клеток. Замораживание же с образованием кристаллической воды приводит к поврежде­нию клеток. Для кристаллического состояния воды характерно большое разнообразие форм.

В структуре льда, полу­ченного при нормальных условиях давления (лед I), каждая мо­лекула воды окружена четырьмя другими, образующими тетраэдр, в центре которого располагается молекула воды, свя­занная четырьмя водородными связями с молекулами воды, расположенными в вершинах тетраэдра. Так образуется гексагональная кристаллическая структура льда. При плавлении льда увеличивается расстояние между атомами кислорода. Одновременно разрушается около 15% водородных связей.

Жидкая вода представляет со­бой равновесную смесь льдоподобных образо­ваний и мономерных молекул. В жидкой воде появление участков (кластеров, роев), объединенных взаи­модействующими водородными связями, чередуется с областя­ми, где водородные связи отсутствуют или реализованы лишь частично. Чередующиеся зоны, или «мерцающие кластеры», воз­никают и исчезают вследствие локальных энергетических флук­туации. Время жизни кластеров 10^-10–10^-11 с. В каждый данный момент времени в образовании «мерцающих класте­ров» участвует до ²/₃ молекул воды.

Растворы электролитов.Врастворах, содержащих ионы, структура воды существенно меняется. В разбавленных раство­рах (< 0,1 моль/л) это происходит благодаря заряженным ио­нам. Эффект зависит от поляризующей силы иона, которая определяется плотностью заряда (отношение заряда иона к его радиусу). Маленькие ионы с большой плотностью заряда силь­нее действуют на структуру чистой воды по сравнению с боль­шими ионами, имеющими малую плотность заряда. И те и другие разрушают структуру воды: первые притягивают мо­лекулы воды, вторые при внедрении в воду из-за большого размера разрушают льдоподобный каркас. При этом может меняться вязкость водного раствора: структура, создаваемая слабогидратированными большими ионами (с малым заря­дом), делает вязкость раствора ниже вязкости чистой воды (Li ⁺ , Na ⁺ , Mg²⁺, F^-), а более плотная структура, образуемая гидратированными ионами, обусловливает более высокую вяз­кость, чем в чистой воде (К ⁺ , Rb ⁺ , NH₄⁺, Cs ⁺ , Сl^-, ОН^-, NО₃^- и др.).

В электрическом поле катиона все ближайшие молекулы воды ориентируются отрицательными полюсами внутрь, а вокруг аниона внутрь направлены положительные полюсы молекул воды. Этот внутренний, прочно связанный с ионом слой молекул воды называют первичной, или ближней, гидратацией (сольватацией). В процессе электрофореза он движется вместе с ионом как одно целое. Однако ион, связывая определенное число молекул воды из своего непос­редственного окружения, в результате ион-дипольного взаимо­действия ориентирует также более далеко расположенные ди­поли воды. Эту гидратацию называют вторичной или дальней.

В состоянии первичной гидратации молекулы воды имеют сниженную подвижность. Молекулы воды вторичной гидратной оболочки сохраняют подвижность, но стремятся к некоторой упорядоченности, что нару­шает исходную структуру воды.

Воду, связанную с ионами, называют также осмотически связанной. Она является важной составляющей осмотического давления в клетках растений.

По мере повышения концентрации раствора (до 1,5–2 моль/л) вторичные гидратные оболочки ионов перекрывают­ся и вода с собственной структурой перестает существовать. Происходит переход от структуры чистой воды к структуре кристаллогидрата.

Растворы белков.Вбелках гидратация обусловлена взаимо­действием молекул воды с гидрофильными и гидрофобными (неполярными) группами и их иммобилизацией внутри ма­кромолекул при их конформационных перестройках.

Наименее гидратирован белок в его изоэлектрической точке, при которой отмечается также самая низкая растворимость белков.

Иммобилизованная вода, замкнутая внутри ма­кромолекул, может участвовать в образовании слоя первичной гидратации, а остальная ее часть сохраняет свойства обычной воды, но с ограниченной подвижностью.