Структура и свойства молекулы воды

Содержание воды в клетке

Типы связей между атомами, играющие важную роль в живых организмах

Неорганические вещества

Молекулярный состав живого вещества

Большинство элементов, присутствующих в живой материи, образуют разнообразные химические соединения, которые подразделяются на неорганические и органические вещества. Органические соединения являются основой строения любого организма. Основой строения органических веществ служат атомы углерода. Приведем данные о содержании в клетке неорганических и органических веществ (табл. 2).

Таблица 2. Содержание неорганических и органических веществ в клетке

Таким образом, молекулярный состав живой и неживой природы различен, поэтому на молекулярном уровне можно провести между ними четкую границу.

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.

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.

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.