ماء حر Free Water: هو الماء الذي ينتقل بحرية بين مكونات الخلية ويدخل في عمليات التحول الغذائي ((الايض)) ويعمل وسطاً للتفاعلات الكيميائية ويشكل نسبة 95% من كمية الماء الموجود في الخلية.
ماء مقيد Bound Water: وهو الماء المتصل بجزيئات البروتين بروابط كيميائية أي انه يدخل ضمن تركيب مكونات الخلية وتقدر نسبته 4-5% من كمية الماء الموجود في الخلية.
يمتلك الماء بعض الخواص الكيميائية والفيزيائية الفريدة والتي جعلته ملائماً جداً للانظمة البايولوجية ومن اهم الخواص البايولوجية المهمة للماء هي القطبية polarity والآصرة الهيدروجينية Hydrogen bonding فيما يتعلق بقطبية جزيئة الماء فأن من صفات الماء امتلاكه قوة تجاذب وتماسك كبيرتين حيث ان كل ذرة من ذرتي الهيدروجين تشترك بزوج من الالكترونات مع ذرة الاوكسجين والابعاد الهندسية للزوج الالكتروني المشترك والذي يوجد في الغلاف الخارجي لذرة الاوكسجين مما يجعل الجزيئة بشكل حرف V كما ان قابلية السحب الكبيرة لالكترون ذرة الاوكسجين يكسبها شحنة سالبة عند الحرف V معطية شحنتيّن لنواتي الهيدروجين المكشوفة ونظراً لان جزيئة الماء متعادلة كهربائياً فان الشحنات الموجبة والسالبة بعيدة جداً بعضها عن البعض كما ان جزيئة الماء تعد ثنائية القطبية وهذه الحقيقة هي السبب الرئيس المسؤول عن قوة التجاذب بين جزيئات الماء ونظراً للكهربائية السالبة لذرة الاوكسجين ومقدار الزاوية التي تربط بين ذرتي الهيدروجين اصبحت جزئية الماء قطبية فذرة الاوكسجين تحمل شحنة سالبة جزئياً ويحمل كل من ذرتي الهيدروجين شحنة موجبة جزئياً ولكون الماء مركباً قطبياً لذلك يعد مذيباً جيداً للمركبات القطبية ولكنه غير قابل للامتزاج بالمركبات غير القطبية الحاوية على مجاميع كارهة للماء Hydrophobic groups.
الرابطة الهيدروجينية لجزيئة الماء
Hydrogen bonds of water molecule
الاواصر الهيدروجينية هي قوى جذب ضعيفة بين ذرة سالبة الالكترونات (N او O) وبين ذرة هيدروجين (O-H او N-H) فجزيئة الماء في الحالة السائلة لها القابلية على تكوين اواصر هيدروجينية مع جزيئة ماء اخرى فضلاً عن ذلك تستطيع تكوين اواصر هيدروجينية مع مركبات (الهيدروكسيل والفوسفات والامين) ونظرا لاحتواء جزيئات الماء على هاتين الخاصيتين (القطبية والاصرة الهيدروجينية) فانه يمتلك الصفات الاتية:-
اولاً: الماء كمذيب Water a Solvcnt
تحتاج العمليات الحياتية الى اذابة عدد كبير من الايونات والجزيئات الكبيرة والصغيرة نظراً لقابلية الماء غير الاعتيادية لاذابة المواد فانه يعد محيطاً خلوياً داخلياً وخارجياً عاماً ونظراً لكون الماء مركباً قطبياً فهو يعد مذيباً جيداً للمركبات القطبية التي تكون اواصر هيدروجينية مع الماء مكونة جزيئات محبة للماء Hydrophilic ومن هذه المركبات الذائبة هي المركبات الهيدروكسيلية والامينات ومركبات الثايول والاسترات والكيتونات وعدد كبير من المركبات العضوية ويعود السبب في ذلك الى ان الماء يضعف القوى الكهربائية والاواصر الهيدروجينية ما بين الجزيئات القطبية وذلك عن طريق تنافسه باجتذاب تلك الجزيئات فمثلاً ان تأثير الماء على الاصرة الهيدروجينية بين مجموعة الكاربونيل و مجموعة الامينو حيث ان ذرات الهيدروجين للماء تحل محل هيدروجين الاميد كواهبة Doner للاواصر الهيروجينية كما ان ذرة اوكسجين الماء تحل محل اوكسجين مجموعة الكاربونيل كمستقبلة acceptor للاواصر الهيدروجينية وعليه فان الاصرة الهيدروجينية تكون قوية ما بين مجموعة CO ومجموعة NH فقط في غياب الماء.
N¾H¼O=C
N¾H¼O=C
O¾H¼O=C
ثانياً: يعد الماء متماسكاً ومتلاصقاً Water is Cohesive and adhesive
تظهر هاتان الصفتان نتيجة للشد السطحي Surface tension لجزيئات الماء الذي يظهر سطحة وكأنه يغطى بطبقة من الجلد يتولد الشد السطحي للماء نتيجة لتماسك جزيئات الماء مع بعضها بواسطة الاصرة الهيدروجينية لذا فهو يعد اكثر السوائل تماسكاً عدا الزئبق فالماء هو عبارة عن مادة متلاصقة ومتماسكة والتي تفسر لنا الخاصية الشعرية Capillarity وقابلية الماء للحركة الى الاعلى في قطعه من الورق المسامي او الزحف في مسامات التربة واغصان النباتات وانتفاخ بذور النباتات اثناء الانبات.
ثالثاً: قابلية استيعاب عال للحرارة High heat capacity
ان كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة غرام واحد من الماء تقدر بسعرة حرارية واحدة ان هذه الكمية من الحرارة تعد عالية بالنسبة للماء. وان اهمية هذه الصفة تعود الى ان الكائن الحي بامكانه ان يكتسب او يفقد حرارة عالية نسبياً بأقل ما يمكن من تغيير قي درجة حرارة الجسم.
رابعاً: ارتفاع درجة حرارة التبخر High heat of vaporization
تعد درجة حرارة التبخر بانها الطاقة الحرارية اللازمة لتغيير غرام واحد من الماء الى بخار وقدرها 540 سعرة أي بعبارة اخرى ان كل غرام واحد من الماء لكي يتبخر من جسم الانسان فانه يزيل 540 سعرة حرارية وهكذا فان تبخر الماء من السطح يولد تبريداً كبيراً وعليه فان عدداً كبيراً من الكائنات الحية تتخلص من الحرارة الزائدة عن طريق التبخر.
خامساً: درجة انصهار عالية High melting Point
تعد درجة انصهار الماء ((صفر درجة مئوية)) عالية مقارنة بدرجات انصهار المذيبات الاخرى كالميثانول والايثانول والبروبانول والاستون والكلوروفورم. وتكمن أهمية ارتفاع درجة انصهار الماء في المحافظة على الكائنات الحية من الانجماد فكلما زادت درجة حرارة الانصهار تطلب رفع تلك الدرجة لذلك السائل لغرض تحويله الى صلب.
الاملاح والايونات Salt & Ions
تعد الاملاح ضرورية للمحافظة على الضغط الازموزي والتوازن الحامضي القاعدي للخلية حيث يزداد الضغط الازموزي داخل الخلية بزيادة تراكيز الايونات مما يؤدي الى دخول الماء الى داخل الخلية. ان تراكيز الايونات في السائل الخلوي تختلف حسب نوعية الايونات فمثلاً تكون تراكيز ايونات البوتاسيوم والمغنسيوم داخل الخلية عالية في حين ان ايونات الصوديوم والكلوريد توجد بشكل رئيسي خارج الخلية كما يعد الفوسفات المصدر الرئيسي داخل الخلية كما تحتوي الخلية على ايون البيكاربونات. اما ايونات الكالسيوم فهي موجودة في كل من الخلايا ومجرى الدم، أما في العظام فأن ايونات الكالسيوم ترتبط مع ايونات الفوسفات والكاربونات لتكون ترتيبات بلورية وتوجد الفوسفات في الدم والسوائل النسيجية على شكل أيون حر ولكن اكثر الفوسفات يكون مرتبطاً على شكل دهون مفسفرة Phospholipids ونيوكليوتيدات Nucleotides وبروتينات مفسفرة Phosphoproteins وسكريات مفسفرة Phosphates Sugar وهناك الفوسفات الاحادية H3PO4 والفوسفات الثنائية HPO4-2 تلعب دوراً في تثبيت pH الدم وسوائل الانسجة وهناك ايونات موجودة في الانسجة كالكبرتيات والكاربونات والبيكاربونات والمغنيسيوم والاحماض الامينية وهنالك معادن توجد باشكال غير متأينة كالحديد الذي يوجد في جزيئة الفيريتين Ferrtin والسايتوكرومات Cytochromes وبعض الانزيمات مثل الكتاليز Catalase وسايتوكروم اوكسيديز Cytochrome Oxidase كما ان هناك اثار قليلة من المعادن منها المنغنيز والنحاس والكوبلت واليود والسلينيوم والنيكل والمولبدنيوم والخارصين وهي ضرورية لادامة فعالية الخلية.
التفكك الايوني وتنظيم الرقم الهيدروجيني
Ionic Dissociation and Regulation of pH
توجد معظم جزيئات الماء النقي في صورة غير مفككة H2O وفي حالة متأينة توجد نسبة منها (OH- , H+) ولاتحتوي المحاليل المائية على بروتونات Protons حرة ولكنها تكون في صورتها الهيدروجينية (H2O)nH+ وتدل هذه الزيادة في تركيز الهيدروجين على الحموضة وان المحاليل الحامضية تحتوي على اكثر من 7-10 من ايونات الهيدروجين وقد لوحظ ان الـ pH يكون قريباً من التعادل في معظم الكائنات الحية الا ان هناك بعض الحالات الشاذة مثل حالة عصير الليمون والعصير المعدي حيث يتراوح الرقم الهيدروجيني pH من 1-2 في حين يتراوح الرقم الهيدروجيني في دم الانسان واللبائن الاخرى من 3.7 – 7.4 وعملية تنظيم الـpH تعود الى ازالة الزيادة في ايونات الهيدروجين عن طريق الكلية وكذلك الى فعل المنظمات الحيوية Buffers الموجودة في الجسم.
المنظمات الحيوية Bio-Buffers
وهي مواد لها القدرة على الاتحاد مع ايونات الهيدروجين مما تعمل على ازالة ايونات الهيدروجين المحاليل زائدة الحموضة وتنقل هذه الايونات من الهيدروجين الى محاليل منخفضة الحموضة وبذلك تظل قيمة pH للسوائل والمحاليل الحيوية في الجسم ثابتة قدر الامكان في مواجة التغير في مكوناتها الحامضية ويتضح أن وجود مثل هذه المنظمات في الخلايا الحية يؤدي الى ثبات pH الخلايا والسوائل الحيوية في مواجهة التغيرات في المكونات الحامضية. وتوجد ثلاث منظمات رئيسة في معظم الكائنات الحية وهي الفوسفات والبيكاربونات والبروتينات .
بعض الايونات واهميتها للكائنات الحية
الايون الوظيفة
الفوسفات PO4 منظم طبيعي ويدخل في تركيب الغشاء البلازمي.
حامض الفوسفوريك H3PO4 يدخل في تركيب بعض البروتينات والشحوم.
الكربونات CO3 HCO3 منظم طبيعي
الحديدوز Fe++
الحديديك Fe+++ يدخل في تركيب الهيموكلوبين والسايتوكرومات وكذلك في تركيب بعض الانزيمات
الكالسيوم Ca++ يدخل في تركيب الانزيم المؤكسد لحامض الاسكوربيك.
الخارصين Zn++ يدخل في تركيب المحلل للروابط البيبتيدية وانزيمات الفوسفاتيز.
المغنسيوم Mg++ يدخل في تركيب الكلوروفيل Chlorophyll.
الغازات Gases
يحتوي برتوبلازم الخلايا على بعض الغازات ومنها:
غاز الاوكسجين الذي يتم الحصول عليه بفعل عملية التنفس او مع عملية احتراق السكر او المادة الغذائية وهو ضروري لعملية تأكسد الغذاء في خلايا الجسم ((التنفس الخلوي)) لانتاج الطاقة وبالتالي القيام بالاعمال والنشاطات الحيوية المختلفة.
غاز ثنائي اوكسيد الكربون وهو من نواتج عملية الايض في الكائنات الحية الا ان اهميته تظهر في النباتات والطحالب لأهميته في عملية البناء الضوئي لتحويل الطاقة الضوئية الى طاقة كيميائية متمثلة في بناء المواد الكاربوهيدراتية السكرية في الخلايا .
وله دور مهم في النبات في عملية فتح وغلق الثغور Stomata حيث لاحظ العالم ساير Sayer سنة 1926 ان الثغور في اوراق النبات تستجيب للتغيرات الحاصلة في درجة حموضة pH الخلايا الحارسة حيث تفتح الثغور عندما تنخفض الحموضة ولقد اقترح ساير ان سبب انخفاض درجة حموضة الخلايا الحارسة يعود الى تجمع غاز ثنائي اوكسيد الكاربون ويقل او يزداد هذا الغاز تبعاً لاستعماله من قبل البلاستيدات الخضراء الموجودة في الخلية الحارسة فعندما يكون الضوء موجوداً يستعمل في عملية البناء الضوئي فيقل تركيزه فيصبح محيط الخلية الحارسة قاعدياً ((قلوياً)) فيزداد pH وفي الظلام يزداد تركيز ثنائي اوكسيد الكربون فيصبح محيط الخلية الحارسة حامضياًُ نتيجة لتكوين حامض الكربونيك (تقل pH) وتؤثر حموضة محيط الخلية على فعالية انزيمات التحلل المائي Hydrolases والتي تقوم بتحليل النشأ الى سكريات بسيطة حيث تزداد فعاليتها عندما يكون الوسط قاعدياً وزيادة نسبة السكريات تقلل الجهد المائي للخلية الحارسة فيدخلها الماء ويحدث العكس في الظلام ومن اهم الانزيمات انزيم Phosphorylase.
phosphate -1- glucose Starch
ولان النشأ غير ذائب فهو غير فعال في تغيير الاوزموزية بينما تكون السكريات البسيطة فعالة في تغيير الاوزموزية وفتح الثغور وعندما يتحلل النشأ تنتج كميات لا بأس بها من السكريات الذائبة تكون كافية لخفض الجهد الاوزموزي داخل الخلايا الحارسة وبالتالي فتح الثغور.