Роль и функции воды в процессе жизнедеятельности

Глава 14. ВОДНО-СОЛЕВОЙ И МИНЕРАЛЬНЫЙ ОБМЕН

Следует различать понятия «водно-солевой обмен» и «мине­ральный обмен». Говоря о водно-солевом обмене, имеют в виду прежде всего обмен Н₂О и NaCI и некоторых других ионов, например (НСОз)¯. Минеральным обменом называют обмен любых минеральных веществ организма, в том числе и таких, которые не влияют на основные пара­метры жидкой среды организма (объём жидкости, осмотическое давле­ние, водородный показатель - рН).

Водно-солевой обмен

Содержание воды в организме и клетке

Вода - обязательный спутник жизни. Нет ни одного организма, который мог бы обходиться без неё. Содержание воды в теле человека колеблется в зависимости от возраста от 45 до 75% от общей массы (табл. 16). Еще более значительные колебания в содержании воды на­блюдаются в различных органах и тканях животных, и растений. Так, в биологических жидкостях (сок деревьев, кровь, лимфа, слюна, желудоч­ный сок животных и др.) содержание воды от 88 до 99%, тогда как в древесине или костной ткани животных - 20-24%.

Таблица 16. Содержание воды в организме человека в зависимости от возраста

Возраст человека	Содержание воды (% от массы тела)
Новорожденный
До 1 года
От 1 до 10 лет	60-65
От 10 до 50 лет	55-60
Более 50 лет	45-55

 

Вся вода распределена между тремя пространствами: внутри клеток (внутриклеточная), вне клеток (внеклеточная) и в замкнутых по­лостях. Наибольшее количество воды внутри клеток: от 65 до 70%, внутриполостная вода составляет небольшую долю ~ 1-3% (входит в состав спинномозговой, внутриглазной, синовиальной - в полости суставов -жидкостей и т.д.) Остальная вода - внеклеточная (межклеточный мет­рике ~25%, плазма крови и лимфа ~5-7%) Содержание воды в плазме крови остаётся практически постоянным на протяжении всей жизни (~7%). Соотношение содержания внутриклеточной воды и внеклеточной меняется с возрастом. У новорождённых больше общей воды за счёт внеклеточной, а с возрастом её количество уменьшается, т.е. организм становится как бы суше. Потери воды идут за счёт внеклеточных жидко­стей. Необходимое содержание воды поддерживается за счёт поступле­ния её извне с пищей (~ 2 л. в сутки); к этому добавляется 0,3-0,4 л ме­таболической воды, образующейся при тканевом дыхании. При продол­жительности жизни 70 лет человек потребляет около 25 т воды.

В клетках различных органов человека содержание воды неоди­наково (табл.17), что определяется значением Н₂О для функции той или иной ткани. В большинстве тканей воды 65-70%, а в крови и почках её более 80% (% от массы ткани). Низкое содержание H₂O в жировой ткани объясняется неспособностью жира удержать воду (см. табл 17).

Таблица 17 Содержание воды в различных органах и тканях взрослого человека (% от массы ткани)

Ткань или орган	Вода	Ткань или орган	Вода
Жировая ткань	10,0	Мышца	75,6
Костная ткань	22,0	Селезенка	75,8
Печень	68,3	Легкие	79,0
Кожа	72,0	Ceoaue	79,2
Кишечник	74,5	Почки	82,7
Мозг	74,8	Кровь	83,0

Роль и функции воды в процессе жизнедеятельности

Вода в жизни организмов играет важнейшую роль. Так выясне­но, что полная утрата жиров и понижение наполовину содержания бел­ков в организме в результате голодания не столь опасны, как потеря воды. При отсутствии питья человек погибает через несколько суток в результате дегидратации тканей, когда общее количество воды в орга­низме уменьшается на 10 -12%.

В силу особенностей физико-химических свойств вода имеет следующие биологические функции:

1. Вода - растворитель и стабилизатор растворенных био­логических молекул и ионов. В силу своей полярности молекулы воды способны объединяться в структурные агрегаты за счёт возникновения водородных связей. Образуются ассоциаты, состоящие, как минимум из пяти молекул воды (рис.41). Так как при движении молекул воды водо­родные связи быстро рвутся, ассоциаты могут разрушаться. Поэтому ме­жду отдельными молекулами воды и ассоциатами существует равнове­сие.

Рис.41. Схема образования ассоциатов из молекул воды

Высокая полярность молекул воды объясняет её высокую ди­электрическую проницаемость по сравнению с другими веществами. Для Н₂О она равна 80, а, например, для такого хорошего растворителя как этанол - 24. Это значит, что силы сцепления в веществе, помещённом в воду, ослабляются в 3,5 раза больше, чем в этаноле. Поэтому вода - прекрасный растворитель. Вещества в водном растворе имеют водную или гидратную оболочку, которая образуется в результате взаимодейст­вия дипольных молекул Н₂О с заряженными группами макромолекул или ионов. Чем больше гидратная оболочка, тем лучше растворимо вещест­во. Все неорганические и органические соединения, диссоциирующие на ионы, все биологические мономеры (аминокислоты, нуклеотиды, моноса­хариды, глицерин), все биополимеры (белки, нуклеиновые кислоты, по­лисахариды), имеющие полярные группы, растворимы в воде. Так, в про­стейшей бактериальной клетке на одну молекулу нуклеиновой кислоты приходится около миллиона, на одну белковую молекулу - примерно десять тысяч молекул воды. Молекулы, содержащие неполярные цепи или отдельные группы, плохо растворимы или нерастворимы в Н₂О (выс­шие жирные кислоты, жиры, стероиды и др.).

2. Вода - регулятор теплового баланса организма (сохранение, распределение и отдача тепла). Образованием ассоциатов объясня­ются аномально высокие температуры кипения, плавления и высокая теплоёмкость воды. Если бы молекулы воды не объединялись в ассоциаты, то, согласно положению кислорода в периодической системе, t кипения его гидрида была бы равна -80°С, a t затвердевания -100°С, т.е. нормальное состояние воды в условиях Земли было бы газообразным жизнь была бы невозможна.

Теплоемкость Н₂О более чем в два раза превышает теплоемкость любого биологического вещества. Поэтому Н₂Оможет долго сохранять тепло при изменении температуры окружающей среды и переносить его на расстояния, что важно для поддержания температуры организма.

3. Транспортная функция. Низкая вязкость, подвижность, уникальная стюсобность растворять большое число неорганических и органических соединений обусловливают транспортную функцию Н₂О. Она же служит для выведения из организма продуктов распада. Транс­порт веществ осуществляется как в больших масштабах - по кровеносной и лимфатической системе, так и в малых масштабах - через клеточные и внутриклеточные мембраны. Большое поверхностное натяжение воды обеспечивает капиллярные явления, т.е. поднятие воды с растворёнными в ней веществами от корня растения по тонким каналам к побегам и, наоборот, от листьев к нижним частям растений (транслирация).

4. Вода выполняет механическую (гидратациоиную) функ­цию, т.е. способствует сохранению внутриклеточного давления и формы клеток (туpгop).

5. Структурная функция воды. Например, взаимодействие белков с водой обеспечивает их комформацию с преимущественным рас­положением гидрофильных групп на поверхности белковой глобулы, а гидрофобных - внутри. Ещё большее значение имеет вода для структур­ной организации биологических мембран и их основы - двойного липидного слоя, в котором гидрофильные поверхности каждого монослоя взаимодействуют с водой, отграничивая от неё гидрофобное пространст­во внутри мембраны, между монослоями. Вместе с другими соединениями она участвует в качестве основного компонента в формировании единой внутриклеточной структуры. Будучи составной частью субклеточных структур, она может регулировать их функциональную активность: на­пример, от степени набухания митохондрий зависит активность протека­ния в них окислительного фссфорилирования, от насыщения водой рибосом - поддержание их структур и способности осуществлять синтез белка.

6. Синтетическая функция. Вода - непосредственный участ­ник многих химических реакций. При этом она может играть как анабо­лическую роль (реакции гидратации и дегидратации, окисления и другие реакции синтеза), так и катаболическую (реакции гидролиза).

7. Электронодонорная или энергетическая функция во­ды. Например, вода - источник электронов при трансформации энергии в хлоропластах.