Биохимические основы жизнедеятельности организма человека - Волков Н.И., Несен Э.Н. 2000

Биохимические основы жизнедеятельности организма человека
Обмен воды и минеральных веществ
Вода и ее роль в организме

Вода (Н₂О) — одно из самых важных соединений в ор­ганизме человека. Без воды не могут осуществляться процессы жизнедеятельности, без воды невозможна и сама жизнь. Потеря всего 10—20% воды организ­мом приводит к его гибели.

От содержания воды в организме зависит физи­ческая работоспособность спортсмена, скорость про­текания процессов восстановления, способность про­тивостоять разнообразным стрессам и само состоя­ние здоровья.

Содержание воды в организме зависит от возраста, пола и текущего функционального состояния. В орга­низме взрослого человека вода составляет примерно 2/3 массы тела, или около 42 кг: у мужчин — около 60 %, у женщин — 50 % общей массы тела. У детей содержание воды в перерасчете на 1 кг массы тела в 2—4 раза больше, чем у взрослых.

Вода неравномерно распределяется среди от­дельных тканей, ее содержание варьируется от 0,3 % в зубной эмали до 99 % в биологических жидкостях. Половина всей воды организма приходится на мыш­цы, около 1/8 — на скелет, 1/20 — на кровь (табл. 4).

Содержание воды в организме изменяется в тече­ние жизни человека: наибольшее количество — в эм­брионе (до 97 %), наименьшее — в стареющем орга­низме (до 50 %). Около 63 % воды организма находит­ся внутри клеток. Это так называемая внутриклеточная вода. Остальная вода составляет биологические жид­кости организма: плазма, межклеточная жидкость, лим­фа и др. Это внеклеточная вода (рис. 22). В организме вода находится в разных состояниях, поэтому оказы­вает различное влияние на биохимические процессы.

Состояние воды в организме. В зависимости от степени связанности выделяют следующие три состо­яния воды: свободная, гидратационная и иммобили­зованная.

ТАБЛИЦА 4 Распределение воды по органам и тканям

Рис. 22 Распределение воды в тканях организма

Свободная вода составляет основу многих биологических жидкостей: крови, лимфы, слюны, мочи и т. д. Она участвует в обмене веществ между клетками тела и внешней средой, в доставке питательных веществ, уда­лении продуктов внутриклеточного обмена, в поддержании температуры тела, а также выполняет механическую роль, способствуя скольжению тру­щихся поверхностей суставов. Кроме того, она проявляет свойства уни­кального растворителя веществ. При задержке в организме свободная во­да собирается под кожей и образует отеки. При ее потере уменьшается объем плазмы крови, кровоснабжение тканей, а следовательно, доставка к ним кислорода и питательных веществ, что влияет на деятельность моз­га, сердечно-сосудистой системы и скелетных мышц.

Гидратационная вода входит в состав гидратных оболочек неоргани­ческих ионов, белков, полисахаридов, нуклеиновых кислот. Она участвует в формировании пространственных структур большинства биополимеров. Гидратационная вода не замерзает при температуре ниже 0 °С и не прояв­ляет свойств растворителя. В течение жизни ее количество почти не изме­няется. Только при старении организм теряет эту воду. Потеря гидратационной воды приводит к "усыханию" тканей, в частности к сморщиванию кожи.

Иммобилизованная вода сосредоточена в замкнутых структурах раз­личных молекул или мембран, но не входит в состав их гидратных оболочек. Эта вода находится в порах, пронизывающих биологические мембраны и рибосомы, в ядрах, митохондриях, других структурах и прочно с ними связана. В отличие от гидратационной иммобилизованная вода замерзает при температуре ниже 0 °С, растворяет вещества и участвует в реакциях обмена.

Между различными видами воды существует динамическое равнове­сие с возможностью их взаимопереходов. Например, содержание гидра­тационной воды может увеличиваться за счет ее иммобилизованной и сво­бодной фракций.

Свойства воды. Вода выполняет разнообразные функции в организ­ме благодаря особенностям строения молекул. Молекула воды является диполем с отрицательным зарядом на кислороде и положительным — на атомах водорода (рис. 23; а, б). В связи с полярностью молекулы воды мо­гут образовывать непрочные водородные связи между своими молекула­ми или другими заряженными веществами. Электростатическое притяжение молекул воды к заряженным частицам называется гидратацией. В про­цессе гидратации образуются сложные кристаллоподобные структуры — гидраты и мицеллы (рис. 23, в, д). Это способствует стабилизации струк­туры белков, нуклеиновых кислот и других веществ, играет важную роль в проявлении их функций.

Рис. 23 Строение и свойства молекулы воды: а — молекулярная модель воды; б — диполь; в — гидратация за счет образования водородных связей между молекулами воды и другими соединениями (спирт); г— гидрофобность и гидрофильность веществ; д — мицелла

Высокая полярность молекул воды обеспечивает растворимость мно­гих кристаллических веществ и диссоциацию на ионы:

Многие молекулы органических веществ, например жирные и нуклеи­новые кислоты, белки, содержат неполярные участки (рис. 23, г), которые не способны взаимодействовать с водой (гидрофобные), и полярные участки, которые стремятся к образованию водных оболочек (гидрофиль­ные). Гидрофильные молекулы в водных растворах образуют структуры, у которых неполярные гидрофобные участки находятся внутри структуры, а гидрофильные расположены на поверхности и взаимодействуют с моле­кулой воды. Образованные структуры называются мицеллами (рис. 23, д). Мицеллообразование играет большую роль в построении надмолекуляр­ных структур и клеточных мембран. В таких структурах наблюдается вы­сокая подвижность ионов, что обусловливает электровозбудимость мем­бран.

Биологическая роль воды. Вода участвует в следующих процессах:

✵ в растворении многих веществ, что способствует увеличению ско­рости химических реакций;

✵ в транспорте веществ при усвоении пищи в желудочно-кишечном тракте, доставке питательных веществ к клеткам организма и выделении из организма продуктов обмена с мочой и потом;

✵ в поддержании структур и функций клеточных органелл; благодаря этому свойству достигается тонкая упорядоченность химических процес­сов в организме; увеличение количества воды в организме может вызы­вать, например, набухание митохондрий, что ведет к изменению энергооб­разования (АТФ) в них;

✵ в биохимических реакциях обмена углеводов, липидов, белков, АТФ (гидролиз, гидратация, дегидрирование); например, реакция распада АТФ протекает с участием воды и называется гидролизом АТФ;

✵ в поддержании кислотно основного равновесия среды организма, так как вода частично диссоциирует на ионы Н⁺ и ОН^-(см. главу 5);

✵ в создании осмотического давления, зависящего от концентрации органических и неорганических веществ, растворенных в ней, а также от гидратации белков;

✵ в механической защите трущихся поверхностей (в качестве смазки), таких как суставы, связки, мышцы;

✵ в процессах терморегуляции организма, так как около 50 % отдава­емого тепла выделяется из организма путем испарения воды.

Таким образом, вода поддерживает динамическое постоянство хими­ческого состава, осмотического давления, метаболических реакций и тем­пературы тела, что обеспечивает постоянство внутренней среды (гомео­стаз) и кислотно-основное равновесие организма.