Поскольку вода для клеток не только наполнитель и основной растворитель, но и реакционная среда, она находится в них в двух формах: свободной (до 95 %) и связанной с фибриллярными структурами цитоскелета и пр. (4-5 %). Большинство биохимических реакций в водных растворах происходит между полярными молекулами, причем свободная вода может быть, как их участником, так и продуктом. Но, т. к. основой гидратации и растворения всех молекул служит изменение Н-связей водных кластеров, оно сдвигает и 4 важнейших физических константы воды: температуры замерзания и кипения, давление пара над раствором и осмотическое давление. Так как знание концентраций растворов позволяет предсказать количественные сдвиги этих констант, их объединяют понятием коллигативные (взаимосвязанные) свойства. Именно они и позволяют водным видам существовать при температурах ниже 0 С.
До недавнего времени считалось, что из-за своих малых размеров, молекулы воды могут «проскальзывать» в клетки между сравнительно крупными молекулами мембранных фосфолипидов. Но, в 1988 г. Peter Agre с коллегами выделил из мембран эритроцитов и проксимальных почечных канальцев, а позже подробно охарактеризовал мембранный белок-канал, названный аквапорин-1 (AQP1). Его тетрамер и образует полярную пору, способную проводить 3·109 молекул воды/с. Как теперь известно, аква-порины – обширное семейство белков всех без исключения плазматических мембран и жестких клеточных оболочек (стенок) прокариот, простейших, грибов и растений. Их физиологическая роль особенно заметна в таких функциях клеток, как поддержание осмотического давления, всасывание воды клетками корней растений и ее реабсорбция почкой животных, фильтрующих у человека ~150-200 л воды/сутки.
Поэтому в первом приближении, у многоклеточных организмов различают 2 водных пространства (компартмента): внутри- и внеклеточное. Первое из них относительно постоянно, т.к. ограничено плазматической мембраной, удерживающей в клетке большинство ее компонентов. Напротив, количество внеклеточной воды сильно зависит от возраста, пола и числа сравнительно бедных ею, белых и бурых жировых клеток, соответственно липо- и адипоцитов. Поэтому рост количества жировых клеток снижает содержание воды у многоклеточных животных. В связи с репродуктивной ролью, в массе тела самок на 5-10 % больше жира, чем у самцов и, соответственно – меньше воды обеспечивающие надежность питания, межклеточной сигнализации и выведения из клеток конечных метаболитов. C учетом этого у позвоночных животных выделяют 3 типа внеклеточных водных пространств:
1. Интерстициальная жидкость – водное окружение гликокаликса клеток, включая лимфу. У взрослых людей – 11-12 л. У новорожденных, относительно массы тела, ее примерно вдвое больше.
2. Внутрисосудистая жидкость – независимо от возраста ~7 % массы тела. От интерстициальной жидкости, пространство сосудов отграничено стенкой капилляров, образованной эндотелиоцитами и, секретированным ими же межклеточным веществом.
3.Трансцеллюлярные жидкости специализированных полостей тела: внутриглазная, спинномозгового канала, перикарда, плевры, синовиальная, пищеварительных соков и др. Их суммарный объем у человека – около 1 л. От интерстиция и внутрисосудистых пространств, их отделяют слои соответствующих эпителиев, обновляющих жидкости 6-8 раз в сутки с помощью механизмов секреции и реабсорбции.
Уникальность воды заложена в ее строение, что делает ее незаменимым комнонентов всего живого. Важнейшие биологические функции воды:
- Способность образовывать диполи;
- Способность к образованию межмолекулярных Н-связей;
- Низкая вязкость с большим поверхностным натяжением;
- Диссоциация молекул;
- Несжимаемость;
- Способность осуществлять трансмембранный перенос; капиллярный транспорт;
- Изменение агрегатного состояния;
- Участие в образовании высших структур биологических макромолекул;
- Является донором и протонов и электронов в энергетическом обмене;
- Создание баланса связанной и свободной воды, от которого зависит клеточный метаболизм;
Эти особенности воды важны для нормальной жизнедеятельности любой клетки любого организма, например:
ü для поддержания постоянства внутренней температуры живыми организмами. При изменении температуры внешней среды в клетке происходит поглощение или выделение тепла благодаря разрыву или новообразованию водородных связей между молекулами воды. Таким образом, колебания температуры внутри клетки, несмотря на резкие ее изменения во внешней среде, ослабляются; вода выступает в роли термостата. Благодаря высокой теплоте испарения организмы могут эффективно защищаться от перегрева, поскольку на испарение 1 г воды с поверхности листа или в виде пота с поверхности кожи расходуется 2.26 кДж тепловой энергии.