Біологічне значення води та її обмін.

Вода як розчинник. Вода – чудовий розчинник для полярних речовин. До них відносяться іонні з'єднання, такі як солі, у яких заряджені частинки (іони) дисоціюють у воді, коли речовина розчиняється, а також деякі неіонні з'єднання, наприклад цукру і прості спирти, в молекулі яких присутні заряджені (полярні) групи (-OH).

Результати численних досліджень будови розчинів електролітів свідчать, що при гідратації іонів у водних розчинах основну роль грає ближня гідратація – взаємодія іонів з найближчими до них молекулами води. Великий інтерес представляє з'ясування індивідуальних характеристик ближньої гідратації різних іонів, як ступеня скріплення молекул води в гідратних оболонках, так і ступеня спотворення в цих оболонках тетраедричної льодоподібної структури чистої води – зв'язки в молекулі змінюються на неповний кут. Величина кута залежить від іона.

Коли речовина розчиняється, його молекули або іони дістають можливість рухатися вільніше і, відповідно, його реакційна здатність зростає. З цієї причини в клітці велика частина хімічних реакцій протікає у водних розчинах. Неполярні речовини, наприклад ліпіди, не змішуються з водою і тому можуть розділяти водні розчини на окремі компартаменти, подібно тому, як їх розділяють мембрани. Неполярні частини молекул відштовхуються водою і в її присутності притягуються один до одного, як це буває, наприклад, коли крапельки масла зливаються в більш крупні краплі; інакше кажучи, неполярні молекули гідрофобні. Подібні гідрофобні взаємодії грають важливу роль в забезпеченні стабільності мембран, а також багатьох білкових молекул, нуклеїнових кислот і інших субклітинних структур.

Властиві воді властивості розчинника означають також, що вода служить середовищем для транспорту різних речовин. Цю роль вона виконує в крові, в лімфатичній і екскреторних системах, в травному тракті і у флоемі і ксилемі рослин.

Велика теплоємність. Питомою теплоємністю води називають кількість теплоти в джоулях, яке необхідне, щоб підняти температуру 1 кг води на 1° З. Вода володіє великою теплоємністю (4, 184 Дж/г). Це значить, що істотне збільшення теплової енергії викликає лише порівняно невелике підвищення її температури. Пояснюється таке явище тим, що значна частина цієї енергії витрачається на розрив водневих зв'язків, що обмежують рухливість молекул води.

Велика теплоємність води зводить до мінімуму що відбуваються в ній температурні зміни. Завдяки цьому біохімічні процеси протікають в меншому інтервалі температур, з більш постійною швидкістю і небезпека порушення цих процесів від різких відхилень температури загрожує їм не так сильно. Вода служить для багатьох кліток і організмів середовищем незаселеного, для якого характерний досить значна постійність умов.

Велика теплота випаровування. Прихована теплота випаровування є міра кількості теплової енергії, яку необхідно повідомити рідини для її переходу в пару, тобто для подолання сил молекулярного зчеплення в рідині. Випаровування води вимагає досить значних кількостей енергії (2494 Дж/г). Це пояснюється існуванням водневих зв'язків між молекулами води. Саме через це температура кипіння води – речовини з такими малими молекулами – незвичайно висока.

Енергія, необхідна молекулам води для випаровування, черпається з їх оточення. Таким чином, випаровування супроводжується охолоджуванням. Це явище використовується у тварин при випоті, при тепловій задишці у ссавців або у деяких рептилій (наприклад, у крокодилів), які на пригріві сидять з відкритим ротом; можливо, воно грає помітну роль і в охолоджуванні листя, що транспірує.

Велика теплота плавлення. Прихована теплота плавлення є міра теплової енергії, необхідної для розплавлення твердої речовини (льоду). Воді для плавлення (танення) необхідна порівняно велика кількість енергії. Справедливо і зворотне: при замерзанні вода повинна віддати велику кількість тепловій енергії. Це зменшує вірогідність замерзання вмісту кліток і оточуючої їх рідини. Кристали льоду особливо згубні для живого, коли вони утворюються усередині кліток.

Густина і поведінка води поблизу точки замерзання. Густина води (максимальна при +4° З) від +4 до 0° Із знижується, тому лід легше за воду і у воді не тоне. Вода – єдина речовина, що володіє в рідкому стані більшою густиною, ніж в твердому, оскільки структура льоду більш рихла, ніж структура рідкої води.

Оскільки лід плаває у воді, він утворюється при замерзанні спочатку на її поверхні і лише під кінець в придонних шарах. Якби замерзання ставків йшло в зворотному порядку, від низу до верху, то в областях з помірним або холодним кліматом життя в прісноводих водоймищах взагалі не могло б існувати. Та обставина, що шари води, температура яких впала нижче 4 °С, підіймаються вгору, обумовлює перемішування води у великих водоймищах. Разом з водою циркулюють і що знаходяться в ній живильні речовини, завдяки чому водоймища заселяються живими організмами на велику глибину.

Після проведення ряду експериментів було встановлено, що зв'язана вода при температурі нижче за точку замерзання не переходить в кристалічні грати льоду. Це енергетично невигідно, оскільки вода достатньо міцно пов'язана з гідрофільними ділянками розчинених молекул. Це знаходить застосування в кріомедицині.

Велике поверхневе натягнення і когезія. Когезія – це зчеплення молекул фізичного тіла один з одним під дією сил тяжіння. На поверхні рідини існує поверхневе натягнення – результат діючих між молекулами сил когезії, направлених всередину. Завдяки поверхневому натягненню рідина прагне прийняти таку форму, щоб площа її поверхні була мінімальною (в ідеалі – форму кулі). Зі всіх рідин найбільше поверхневе натягнення у води (7, 6 – 10, 4 Н/м). Значна когезія, характерна для молекул води, грає важливу роль в живих клітках, а також при русі води по судинах ксилеми в рослинах. Багато дрібних організмів отримують для себе користь з поверхневого натягнення: воно дозволяє їм утримуватися на воді або ковзати по її поверхні.

Вода як реагент. Біологічне значення води визначається і тим, що вона є одним з необхідних метаболітів, тобто бере участь в метаболічних реакціях. Вода використовується, наприклад, як джерело водню в процесі фотосинтезу, а також бере участь в реакціях гідролізу.