Bez wody nie może istnieć życie na Ziemi.

Związki chemiczne występujące w komórce wykazują niezwykłą złożoność i różnorodność. Wszystkie one jednak zbudowane są z ograniczonej liczby podstawowych pierwiastków. Najliczniej występującą w żywej komórce substancją jest woda - stanowi ona ok. 70% masy komórki i jej ilość zmienia się z wiekiem. Stosunkowo dużo wody posiadają:

meduza 97%, soczyste owoce 90%, ślimak 87%, zarodek zwierzęcy 93%, tkanka nerwowa 88%, oko 99%, tkanka mięśniowa 75%, osocze krwi 90%, chłonka 95%, łzy 98%. Najmniej wody znajduje się w nasionach i zarodnikach roślin i grzybów 10-15%, kościach 20%, ścianie komórkowej roślin 10%, szkliwie zębów 0,2%.

Woda posiada specyficzne cechy wyróżniające ją spośród innych związków chemicznych i czyniące niezbędną dla istnienia życia. Cząsteczka wody składa się z atomu tlenu i dwóch atomów wodoru. Nie są one ułożone liniowo, lecz tworzą trójkąt.
Cząstka wody jest polarna, czyli jest dipolem. Jej polarność związana jest z przesunięciem elektronów w jedną stronę cząsteczki (niesymetrycznie rozmieszczone ładunki elektryczne), gdyż pomiędzy atomami wodoru i atomem tlenu wytwarzają się wiązania kowalencyjne spolaryzowane w stronę atomu tlenu.

Powoduje to, że atom tlenu ma pewien ładunek ujemny, a atomy wodoru odpowiadający mu ładunek dodatni. Ujemny ładunek atomu tlenu przyciąga dodatnio naładowane atomy wodoru sąsiedniej
cząsteczki i pomiędzy nimi powstaje tzw. wiązanie wodorowe.

Właściwości fizykochemiczne wody.

Czysta woda ma następujące cechy:

- jest przezroczysta, bez zapachu i smaku,

- jest dobrym rozpuszczalnikiem dla wielu substancji,

- odznacza się dobrym przewodnictwem cieplnym,

- wykazuje dużą lepkość,

- ma dużą gęstość,

- dysocjuje na jony H⁺ i OH^-,

- ma odczyn obojętny,

- ma wysoką temp. topnienia 0^°C i wrzenia 100^° C

- zmienia stany skupienia

Rola biologiczna wody.

Czysta chemicznie woda w przyrodzie nie występuje, zawiera zawsze domieszki, które zmieniają jej właściwości np. woda słona ma już wyższą temperaturę wrzenia i niższą zamarzania.

Szczególną właściwością wody jest to, że zwiększa ona swoją objętość podczas zamarzania. Dzięki tworzeniu się wiązań wodorowych lód uzyskuje specyficzną, luźną strukturę sieci krystalicznej. W lodzie każdy atom tlenu tworzy jakby cztery wiązania z atomami wodoru, przy czym dwa atomy wodoru są własne, a dwa pożyczone z innych cząstek. Cztery wiązania wodorowe ułożone są w przestrzeni tak, jakby atom tlenu znajdował się w środku czworościanu foremnego, a atomy wodoru w jego narożach.

Dzieje się tak, gdyż pożyczone atomy wodoru starają się ustawić jak najbliżej atomu tlenu, przez który są przyciągane, a jednocześnie jak najdalej od innych atomów wodoru, przez które są odpychane.

Konsekwencją takiego łączenia się cząsteczek wody jest powstanie sieci krystalicznej o luźnej strukturze przypominające połączone tunele puste w środku. W czasie ogrzewania lodu do temperatur bliskich temperaturze topnienia zwiększone ruchy cząsteczek wody (wywołane wzrostem temperatury) zrywają wiązania wodorowe i wypełniają puste tunele. Ciężar wody zmienia się i woda o największej gęstości opada na dno, dzięki temu głębokie zbiorniki wody mają temperaturą zbliżoną do +4^oC. Latem na dole zbiornika panuje najniższa temperatura, natomiast zimą na dnie woda ma zawsze temperaturę +4⁰C, co pozwala rybom przeżyć zimę. Lód jako najlżejszy wypływa na jej powierzchnię i w ten sposób chroni głębsze warstwy przed przemarzaniem, pozwala przetrwać okres zimy mieszkającym tam organizmom (np. bezkręgowce, ryby, rośliny)

Woda ma bardzo duże ciepło właściwe (ilość ciepła potrzebna do ogrzania 1kg substancji o jeden stopień), dlatego nawet podczas długotrwałego upału woda w jeziorze lub morzu ma dużo niższą temperaturę niż otoczenie. Energia słoneczna wykorzystywana jest do zrywania wiązań wodorowych, a nie podnoszenia jej temperatury (pochłania ciepło bez wahań temp.) Ta cecha wpływa na zmniejszenie wahań temperatury wewnątrz organizmu, chroni organizmy przed nagłymi skokami temperatury, dlatego, że woda wolno nagrzewa się i wolno ochładza.

Bardzo dużą wartość ma także ciepło parowania wody (ilość ciepła potrzebna do wyparowania 1kg wody). Proces parowania zachodzi powoli, mogą więc istnieć odkryte zbiorniki wodne oraz mała jest częstotliwość opadów atmosferycznych. Trzeba dużo energii, aby przyspieszyć ruch cząsteczek wody i podnieść jej temperaturę, a także by oderwać cząsteczki od siebie i spowodować odparowanie wody. Ma to duże znaczenie dla klimatu. Klimat morski jest łagodny (ciepłe zimy i chłodne lata), bowiem zimą cieplejsza woda od powietrza "oddaje" ciepło, a latem od gorącego powietrza ciepło "pobiera". Duże ciepło właściwe i duże ciepło parowania wody są właściwościami niezwykle cennymi dla licznych organizmów, które dzięki nim utrzymują odpowiednią temperaturę ciała. Niewielka ilość wody parująca z liści usuwa nadmiar ciepła, które dociera do rośliny przy silnym nasłonecznieniu. Podobnie skutecznie jest usuwane ciepło z naszego organizmu podczas pocenia się.
Dużą wartość ma również ciepło topnienia wody (ciepło potrzebne do stopienia 1kg wody w temperaturze topnienia). Dzięki temu wiosną śnieg topi się powoli, pomimo, że temperatura powietrza dochodzi do kilkunastu stopni Celsjusza, co zapobiega powodziom. Późną jesienią natomiast zjawisko zamarzania wody w zbiornikach wody zachodzi stopniowo. Z tego powodu lód używa się do chłodzenia żywności.

Woda ma duże napięcie powierzchniowe. Oznacza to, że siły skupiające cząsteczki wody są o wiele większe niż siły działające na powierzchni wody, między jej cząsteczkami a cząsteczkami gazów znajdujących się w powietrzu. Wykorzystują to zwierzęta biegające po wodzie, np. nartniki. Dzięki dużemu napięciu powierzchniowemu podnosi się poziom wody w cienkiej kapilarze oraz utrzymuje ciągłość słupa wody w naczyniach roślin nawet na wysokość 110 m u sekwoi. Cecha ta spełnia ważną rolę w tworzeniu błon cytoplazmatycznych.
Kolejną cechą wynikającą z polarnego charakteru cząsteczek H₂O jest ich zdolność do otaczania jonów i innych cząsteczek polarnych. Wynika to z przyciągania się ładunków różnoimiennych: jony posiadają określony ładunek dodatni (kationy) lub ujemny (aniony), a cząsteczki polarne wykazują nierównomierne rozłożenie równoważących się ładunków na swojej powierzchni. Molekuła wody ustawia się w taki sposób, aby dostosować się ładunkiem do cząsteczki, z którą oddziałuje. W wodzie rozpuszcza się wiele substancji, w ten sposób zwilża powierzchnie wielu substancji (oprócz tłustych), lub jest świetnym rozpuszczalnikiem. Proces ten nazywany jest hydratacją.

Te cząsteczki, które dzięki swojemu ładunkowi dobrze wbudowują się w usieciowaną strukturę wody nazywamy hydrofilowymi. Wykazują one dobrą rozpuszczalność w roztworach wodnych.
Molekuły niepolarne i nie posiadające określonego ładunku zakłócają trójwymiarową strukturę wody utworzoną przez wiązania wodorowe.
Cząsteczki takie, nie wiążąc się z molekułami H₂O są wypychane poza sieć. Skupiają się one w grupy i układają tak, aby powierzchnia kontaktu z wodą była jak najmniejsza. Cząsteczki takie nazywa się hydrofobowymi; są one słabo rozpuszczalne w wodzie. Obecność takich molekuł w środowisku wodnym powoduje tworzenie się wokół nich klatek - otoczek utworzonych z cząsteczek H₂O połączonych wiązaniami wodorowymi. Stanowią one struktury o wyższym stopniu organizacji czyli niższej entropii. Ponieważ każdy układ dąży do stanu o możliwie najwyższej entropii, powstawanie "klatek" jest niekorzystne energetycznie. Najlepszym rozwiązaniem jest skupienie hydrofobowych cząsteczek tak, aby dało się je otoczyć "klatką" o możliwie najmniejszej powierzchni. To dążenie do stanu optymalnego energetycznie jest siłą wywołującą oddziaływań hydrofobowych.

Właściwości fizyczne i chemiczne wody decydują o jej szczególnie istotnych funkcjach w organizmie.

Woda:

• tworzy płyny ustrojowe i wewnątrzkomórkowe (cytoplazma, płyn tkankowy, osocze krwi, płyn mózgowo-rdzeniowy, płyn opłucnej),

• jest środowiskiem zachodzenia reakcji biochemicznych,

• w wielu reakcjach jest substratem ( fotosynteza, hydroliza związków organicznych) lub produktem (jako woda metaboliczna przy syntezie białek, dwucukrów i polisacharydów oraz tłuszczów i w oddychaniu komórkowym

• pełni funkcje transportowe wewnątrzustrojowego, np. produktów przemiany materii, substancji odżywczych, hormonów, witamin i enzymów

• bierze udział w termoregulacji u zwierząt, transpiracji u roślin czyli regulacji temperatury,

• bierze udział w regulacji ciśnienia osmotycznego, pH,

• uczestniczy w reakcjach hydrolizy,

• stanowi płynne środowisko, niezbędne do usuwania końcowych produktów przemiany materii,

• utrzymuje odpowiednie wymiary i kształt komórek, warunkuje jędrność (tzw. turgor)

• jest niezbędna w procesach rozmnażania i rozwoju organizmu.

Pytania

• Wyjaśnij zależność między budową cząsteczek wody a jej właściwościami.

• Wymień procesy fizjologiczne, w których jest wykorzystywane duże napięcie powierzchniowe wody, jej duże ciepło właściwe oraz duże ciepło parowania.

• Wyjaśnij pojęcia : sublimacja, desublimacja, topnienie, krzepnięcie, parowanie, skraplanie, kohezja, adhezja

1

---