Вода клетки

Среди всех веществ живой клетки вода занимает первое место, составляя 75 – 85 % ее массы. Исключением служат лишь клетки сухих семян и спор, обычно содержащих не более 14 % воды. Вода содержится не только в живых, но и в мертвых клетках (ксилема). В межклетниках она находится главным образом в виде пара. Нормальное функционирование клеток происхо­дит при содержании воды равном 70 - 80 %.

Наиболее богаты водой вакуоли, которые содержат ее до 98 %, затем цитоплазма (до 85 %). В клеточных оболочках, особенно сосудов и трахеид, находится наи­меньшее количество воды. Здесь она заполняет проме­жутки между фибриллами целлюлозы и удерживается силами поверхностного натяжения и за счет адсорб­ционных сил. Содержание воды в хлоропластах и ми­тохондриях существенно ниже, чем в цитоплазме, что связано с присутствием в них значительных количеств липидов.

Вода обладает рядом специфических свойств, оп­ределяющих ее громадное значение в жизни растений. Она слабо диссоциирует на водород и гидро­ксилъный ион. Концентрация каждого из них состав­ляет 10^-7 г-ионов на 1 л воды. Чистая вода имеет поэто­му значение рН 7. Кроме обычного водорода в воде находятся два его изотопа: дейтерий и тритий. Отношение между количеством первого и второго равно 6500: 1. Кислород также выступает в виде трех изотопов: обыч­ного изотопа 160 и двух других с атомной массой 17 и 18 (170 и 180). Из изотопов водорода лишь тритий явля­ется радиоактивным. Образуется он обычно в атмос­фере под воздействием космических лучей и имеет период полураспада 12,5 лет.

Вода имеет целый ряд особенностей, аномальных свойств по сравнению с близкими к ней по химичес­кому составу веществами.

Одним из аномальных свойств воды является ее плотность. Известно, что все вещества при нагревании увеличивают свой объем и в связи с этим уменьшают плотность. Исключение для воды состоит в том, что в интервале температуры от 0 °С до + 4 °С плотность ее не уменьшается, а увеличивается. В момент замерзания объем воды мгновенно увеличивается примерно на 11 %. Лед поэтому легче жидкой воды и держится на ее поверхности, плавает. В связи с этим вода в глубоких во­доемах даже при очень сильных морозах не замерзает, ибо как только температура воды упадет ниже + 4 °С. она поднимается на поверхность и превращается в лед. У самого дна озера, например, температура воды зи­мой обычно равна + 4 °С, что весьма благоприятно для жизни его обитателей. Но вода может оставаться в жидком состоянии при температуре вплоть до -70 °С. Это переохлажденная вода. Способность воды сохра­няться в переохлажденном состоянии в тканях расте­ний, наличие в них растворов орга-нических и мине­ральных веществ, способствующих сохранению жид­кого состояния, предохраняет растение от гибели при трескучих зимних морозах.

Необыкновенно высоки у воды температура ки­пения и замерзания. По всем физическим за­конам вода должна бы кипеть при температуре -75°С, а не при + 100°С и замерзать при -90°С. Эти особенно­сти объясняются наличием структуры воды.

«Исключением из правил» являются и ее нео­быкновенно высокие теплоемкость, поверхностное на­тяжение, растворяющая способность, прочность на разрыв (когезия), что также имеет неоценимое значе­ние в жизненных процессах растений.

Для водных растений существенное значение имеет отсутствие у воды цвета. Высокая светопропус­кающая способность воды делает возможным осуществ­ление растениями под водой процесса фотосинтеза.

В молекуле воды (Н₂О) распределение зарядов (двух положительных и двух отрицательных) асимметрично. В связи с тем, что атомы водорода в молекуле располо­жены по отношению к атому кислорода под тупым углом 104,5°, молекула воды, будучи электронейтраль­ной, имеет на одной стороне отрицательный, а на дру­гой - положительный заряды. Такие молекулы назы­вают диполями.

Наличие дипольного момента, равного произведе­нию величины заряда на расстояние между полюсами, определяет ориентацию молекул воды вокруг ионов: у катионов молекулы воды располагаются к поверхно­сти иона своими отрицательными концами - атомами кислорода, а вокруг анионов - положительными, т.е. атомами водорода.

Связывание молекул воды в электричес­ком поле ионов получило название электростатической гидратации. Явления электростатической гидратации наблюдаются и около ионизированных химических групп ряда органических соединений. это имеет значение в поддержании особого состояния цитоплазмы, ее устой­чивости и вместе с тем - лабильности.

Гидратация - взаимодействие воды с гидрофильны­ми (притягивающими воду) веществами, приводящее к изменению ее свойств. Различают два вида гидратации. Присоединение (притягивание) диполей воды к заряженным частицам различных ионов минеральных солей и ионизированных групп. Образование водородных связей с полярными группами органических веществ (между водородом воды и атомами кислорода или азота).

Водородные связи образуются следующим образом: кислород при образовании ковалентной связи в молеку­ле воды притягивает электрон водорода; такой «оголен­ный» водород способен притягивать соседние молеку­лы воды или сам притягиваться к молекулам веществ цитоплазмы. Водородные связи значительно слабее ко­валентных связей (примерно в 24 раза). Наличие в мо­лекуле воды двух протонов и двух одинаковых пар элек­тронов обеспечивает формирование четырех водород­ных связей с окружающими молекулами воды с образованием особой решетчатой структуры.

Наличие решетчатой или псевдоледяной структу­ры и представления о мерцающих кластерах позволя­ют объяснить подвижность структуры жидкой воды и ее низкую вязкость.

В жизни растений важное место занимает элект­ростатическая гuдратацuя белков. Молекулы амино­кислот в белках имеют ионизированные rpуппы - кар­боксильную и аминоrpуппу. Среди аминокислот, входящих в состав белков, гидрофильны­ми радикалами обладают серин, треонин, аргинин, лизин, пролин, оксипролин, тирозин, триптофан, аспа­рагиновая и глутаминовая кислоты. Гидрофобные (во­доотталкивающие) радикалы имеют следующие амино­кислоты: аланин, валин, фенилаланин, лейцин, изолей­цин. Гидрофильные радикалы (гpуппы) аминокислот находятся в водном растворе на поверхности глобул белка, а гидрофобные обращены внутрь.

Гидратация изменяет свойства воды. Поэтому в живой клетке различают свободную и связанную воду. К свободной относят воду, которая по своим свой­ствам не отличается от чистой воды. Среди связанной воды выделяют осмотически и коллоидно связанную. Осмотически связанная вода гидратирует молеку­лы и ионы, находящиеся в растворе, коллоидно свя­занная - коллоидные частицы. Прочно связанная вода образует первый слой гид­ратных оболочек.

Свободная вода легко передвигается в клетках и по всему растению, испаряется и участвует во многих метаболических процессах. Связанная вода обеспечи­вает устойчивость коллоидных систем. Очевидно, что коллоидно связанная вода является элементом струк­туры живой растительной клетки.