Значення і розподіл води в організмі

Вода складає близько ³Д біомаси Землі. Перші живі організми виникли у водному середовищі. Життя без води неможливе. Собака, позбавлена корму, може прожити до 100 діб, без води – до 10, людина без води до – 7 діб. Тривале зневоднення можуть переносити лише деякі форми життя, що знаходяться у стані спокою – насіння і спори. Втрата організмом тварини до 10% води призводить до важких порушень обміну речовин, втрата 20 – 25% – до загибелі.

Фізико-хімічна характеристика води. Хімічно чиста вода – це прозора рідина без запаху і смаку. Молекула води містить 11,19% водню і 88,81% кисню. Молекулярна маса води складає 18,016, температура замерзання – 0°С, температура кипіння – 100°C, густина води при +4°C – 1 г/см³.

Вода – добрий розчинник багатьох органічних і мінеральних речовин, що пов'язано із структурою її молекули. Молекула води – електричний диполь, який має чотири полюси зарядів; два позитивних, пов'язаних з атомами водню, і два негативних, створених електронними хмарами неспарених електронів атома кисню.

Середній кут зв'язку Н–О–H рівний 104,5°, середня міжатомна відстань Н–О – 0,0965 нм. Дипольний момент води – 1,86. Вода має високу діелектричну постійну – 80. Це дає можливість її частинкам легко руйнувати кристалічні решітки (наприклад, NaCl), утворені позитивними і негативними іонами, і здійснювати їх гідратацію.

Для води характерний водневий зв'язок, що визначає в значній мірі її властивості і значення. Водневі зв'язки виникають між частковим негативним зарядом атома кисню однієї молекули води і частковим позитивним зарядом атома водню сусідньої. Довжина водневого зв'язку – 0,177 нм, відстані між атомами кисню двох сусідніх молекул води – 0,276 нм.

Водневі зв'язки утворюються між молекулами води і полярними групами багатьох неіонних сполук (спиртів, альдегідів, кетонів і ін.), обумовлюючи їх розчинність.

Водневі зв'язки беруть участь в проникності біологічних мембран, у формуванні вищих рівнів організації молекули білка, нуклеїнових кислот, ліпідів і ін.

Вода – слабий електроліт.

При дисоціації води утворюються іони гідроксонію H₃O⁺ і гідроксильні іони ОН^-. Іони гідроксонію найчастіше зображаються у вигляді іонів H⁺. Концентрацію іонів водню в біологічних системах виражають через водневий показник рН.

Розрізняють прісну, солонувату і солону воду. В прісній воді міститься до 1 г/кг солей, солонуватій – 1 – 25 г/кг, солоній – понад 25 г/кг. Вода містить неорганічні іони, в основному HCO₃^-, Ca²⁺ і Mg²⁺, гази – CO₂, O₂, N₂ (рідше H₂S), а також домішки органічних речовин: в річковій – в межах 20 мг/кг, дещо менше – в підземних, мало (до 4 мг/кг) – морській. Вода, забруднена побутовими і промисловими відходами, містить високий відсоток органічних домішок, які погіршують її якість. У забрудненій воді мешкає багато груп і видів мікробів. Епізоотична і санітарна безпека води забезпечується її очищенням і санітарною охороною водоймищ.

Розподіл води в організмі тварин. Вода – головна складова частина живого організму. Багато вищих тварин містять 60 – 75% води, медузи – до 98%. Вміст води змінюється в онтогенезі. Вода в тканинах і органах тварин розподілена неоднаково. Так, найбільше води організму зосереджено в м'язах (50,8%), найменше – в нирках (0,6%). Різні органи і тканини відрізняються між собою вмістом води. Так, наприклад, кістки містять 22% води, хрящі – 55,0, легені – 79,1, кора головного мозку – 83,3%. Біологічні рідини характеризуються високим вмістом води – до 99,5% (слина, піт). Близько 72% всієї води організму зосереджено в клітинах, 28% – в міжклітинних рідинах. 8 – 10% води організму зосереджено в плазмі крові, лімфі, лікворі, синовії, плевральній рідині.

При складанні раціонів слід враховувати, що на 1 кг маси потрібно в середньому 35 – 40 г води на добу. Для молодих організмів ця потреба в 2 – 4 рази вище.

Стан води в організмі. В органах, тканинах і клітинах вода знаходиться у вигляді вільної, гідратаційної і імобільної. Вільна вода складає основу багатьох біологічних рідин: кров, лімфа, ліквор. Вона бере участь в доставці поживних речовин і видаленні продуктів обміну з органів, тканин і клітин. Частина води входить у міцели колоїдних частинок, беручи участь в утворенні гідратних оболонок. Так, в бактерійній клітині на 1 молекулу ДНК або РНК доводиться близько 1 млн. молекул води. Деяка кількість води зв'язана з неорганічними іонами. Її називають гідратаційною водою. Вона складає близько 4% всієї води тканин. 10 – 80% такої води зв'язують білки. Втрата колоїдною частинкою гідратаційної води приводить до синерезису. Така вода не замерзає при пониженні температури до 0°C і нижче, не може розчиняти деякі речовини і т.д.

Усередині клітин міститься вода, яка не входить до складу гідратних оболонок, – імобільна вода. Її молекули розміщуються між мембранами клітини, волоконними молекулами і структурами. Імобільна вода замерзає при температурі нижче 0°C, розчиняє багато речовин, легко бере участь у реакціях обміну речовин.

Між різними видами води існує динамічна рівновага. Кількість вільної води зростає при патології (нефриті, перикардитах, абсцесах, флегмонах). Виникають набряки. При короткочасній роботі (10 – 15 хв) в організмі нагромаджується міжклітинна (вільна) вода, при тривалій (понад 30 – 60 хв) – внутрішньоклітинна (імобільна) вода.

Біологічне значення води. Вода в організмі виконує ряд життєво важливих функцій. Перш за все, вона є універсальним розчинником мінеральних і органічних речовин, що входять в корми, і продуктів обміну речовин. Вода – активний учасник багатьох реакцій обміну речовин; гідролізу, гідратації, окислення, відновлення і т.д. Вона може взаємодіяти з атомами, іонами, окремими молекулами і їх групами. Її здатність до дисоціації створює на різних ділянках організму і навіть клітини відповідну реакцію середовища, що визначає напрям і хід багатьох реакцій обміну речовин. Всі поживні речовини засвоюються в харчовому каналі з участю води (реакції гідролізу).

Вода – пластичний матеріал, з якого побудовані органи, тканини і клітини.

Вода бере участь в терморегуляції організму. Близько 25% надлишку теплової енергії виділяється з організму в результаті випаровування води з поверхні шкіри. Приблизно стільки ж тепла виділяється з організму з парами повітря, що видихається. Це дає можливість зберегти в організмі температуру, властиву для даного виду тварини і необхідну для повноцінного протікання багатьох реакцій обміну.

Молекули води беруть участь у створенні вторинної і третинної структури молекул білків.

Обмін води

Тканини і клітини використовують два види води: екзо- і ендогенну. Екзогенна вода поступає в організм ззовні. В загальній масі вона складає ⁶/₇ всієї води, необхідної для життя організму. ¹/₇ Загальної маси води утворюється в тканинах тварин як кінцевий продукт окислення нуклеїнових кислот, білків, ліпідів, вуглеводів. Це ендогенна вода. Встановлено, що при повному окисленні 100 г жирів організм одержує 107,1 г води, вуглеводів – 55,6 і білків – 41,3 г. Кількісне співвідношення екзо- і ендогенної води в організмі залежить від виду і віку тварин, рівня їх продуктивності і умов зовнішнього середовища (навколишньої температури, вогкості, зони проживання), раціону, сезону року та ін. Ендогенний шлях отримання організмом води має велике значення для мешканців безводних пустель і степів, для тварин, які впадають у зимову сплячку.

Всмоктування води. Вода всмоктується слизовою оболонкою всього харчового каналу, починаючи від ротової порожнини і закінчуючи прямою кишкою. Невелика кількість води всмоктується в ротовій порожнині і в стравоході, частина – в шлунку, основна маса – в тонкій кишці, частина – в товстій кишці.

Частинки води разом з перевареними поживними речовинами проникають углиб епітеліальних слизових оболонок у результаті дифузії і осмосу, частково – піноцитоза і активного транспорту. По ендоплазматичній сітці вони поступово переміщуються від апікального краю клітини до базального, поступають в міжклітинний простір, а потім – в міжклітинну рідину, капіляри, венули, підепітеліальну і підслизову венозні сітки кишкової ворсинки, вени брижі, ворітну вену і печінку і далі у великий круг кровообігу. Деяка кількість води поступає через лімфатичну систему.

Проміжний обмін води. Після всмоктування вода транспортується до різних органів, тканин і клітин, де використовується для різних потреб. Транспортування води до тканин і клітин в основному здійснюють білки крові – альбуміни і глобуліни. Вода проникає в клітини прямим (безпосередньо) або непрямим (через міжклітинну рідину) шляхами. Обмін води в організмі є частиною загального обміну речовин і тісно пов'язаний з обміном нуклеїнових кислот, білків, ліпідів, вуглеводів. Солі натрію, особливо хлориди, сприяють накопиченню води тканинами, викликаючи набухання колоїдів. Солі кальцію, навпаки, зменшують зв’язування води білками, стимулюючи її видалення з організму. Тому хворим при запальних процесах рекомендують вводити хлорид кальцію внутрішньовенно, оскільки він зменшує процеси ексудації.

Обмін води характеризується водним балансом – співвідношенням прийнятої і виділеної з організму води. При водній рівновазі кількість води, що поступила в організм рівна кількості виділеної. Позитивний водний баланс типовий для молодих організмів, водна рівновага – для дорослих, негативний водний баланс – для старіючих організмів.

Кінцевий обмін води. Вода виділяється з організму з сечею (до 50%), потом і повітрям (до 35%), що видихається, і з калом (до 15%). Частка участі органів виділення у водному обміні змінюється залежно від умов зовнішнього середовища, виду і віку тварин, їх функціонального стану.

Регуляція водного обміну. Регуляція водного обміну здійснюється нейрогуморальним шляхом, зокрема, різними відділами центральної нервової системи: корою великих півкуль, проміжним і довгастим мозком, симпатичними і парасимпатичними гангліями.

У регуляції водного обміну беруть участь багато залоз внутрішньої секреції. Частина гормонів володіє антидиуретичною дією: наприклад, гормони задньої частки гіпофіза – вазопресин і кори наднирників – альдостерон, дезоксикортикостерон. Інші гормони стимулюють виділення води нирками: тироксин – гормон щитовидної залози, паратгормон – гормон паращитовидної залози, андрогени і естроген – гормони статевих залоз.

Гормони щитовидної залози стимулюють виділення води через пітні залози.

Вміст води в організмі регулюється наявністю в ньому катіонів. Іони Na⁺ сприяють зв’язуванню її колоїдними частинками білків, іони K⁺ і Ca²⁺ стимулюють виділення води з організму.

Патологія водного обміну. Водний обмін порушується при багатьох інфекційних, інвазивних і незаразних хворобах. В основі цих порушень лежать морфофункціональні зміни в органах, що беруть участь в загальному водному обміні, і розлади нейрогуморальної регуляції.

Часто причиною патології водного обміну може бути загальне і водне голодування організму. При цьому розвиваються голодні набряки. При деяких хворобах (правець, ботулізм, сказ) ускладнюється прийом води і виникає негативний водний баланс. Окремі хвороби (холера, чума, цукровий і нецукровий діабет, гастрити і ентерити) приводять до надмірної втрати тканинами води. При деяких патологічних станах у тканинах і органах ускладнюється циркуляція води і виникає позитивний водний баланс, особливо при хворобах нирок, фасциольозі, хворобах серця і ін.

Часто причинами порушень водного обміну є пухлини або травми центрів нервової системи і залоз внутрішньої секреції, що беруть участь у його регуляції.

 

Лекція № 15. Мінеральні речовини та їх обмін.