Учебное пособие Издание третье, стереотипное

Содержание воды и pH некоторых органов, тканей и биожидкостей человека

Ткань, орган, жидкость	Содержание воды, %	pH
Головной мозг	83	6,8-7,4
Спинной мозг	74,8	6,8-7,4
Почки	82	6,8-7,4
Сердце	79	6,8-7,4
Легкие	79	6,8-7,4
Мышцы	75	6,8-7,4
Кожа	72	6,2-7,5
Печень	70	6,4-7,4
Скелет	46	6,4-7,4
Желудочный сок	99,5	0,9-1,1 (до 1,6)
Слюна	99,4	6,35-6,85 (7,4-8*)
Плазма крови	92	7,4(7,35-7,45)
Моча	83	4,8-7,5
Желчь	75	7,5-8,6
Слезы	99	7,4

Примечание. * — данные других источников.

Определяемый содержанием в воде кислот и основании водородный показатель pH является важнейшей характеристикой природных водоемов. Их подкисление, например в результате выпадения кислотных дождей, изменяет не только физико-химические показатели воды, но и ее состав. Растворение минералов в такой воде приводит к ее насыщению тяжелыми металлами, что повышает ее токсичность и может вызвать гибель ряда организмов.

Биологические жидкости также характеризуются определенными значениями pH (табл. 5). Его изменение, приводя к нарушению гомеостаза, отражается на функциях биосистем, что связано во многом с влиянием на ферменты, их реакции. Так, повышение или понижение кислотности желудка отражается на функциях его ферментативных систем, что может привести к серьезным заболеваниям (см. ниже).
Согласно современным представлениям, водород по своим свойствам (табл. 10) нельзя отнести к какой-либо группе, а следует считать первым элементом Периодической системы Д. И. Менделеева.

Таблица 10
Некоторые характеристики водорода

Валентные электроны	Is^1
Степень окисления в соединениях	-1; +1
Относительная атомная масса, е. а. м.	1,008
Радиус атома, нм	0,78
Энергия ионизации, кДж/моль	1312,1
Энергия сродства к электрону, кДж/моль	72,76
Относительная электроотрицательность	2,20
Стандартный электродный потенциал, -Е2Н+/Н2 > В	0
Плотность, г/см^8	0,000089
Температура плавления, °С	-258,99
Температура кипения, °С	-252,72

Основным методом получения водорода в промышленности сегодня является электролиз воды. Он протекает в присутствии NaOH или Na₂S0₄ в соответствии с реакцией:

2Н_аО = 2Н₂Т + 0₂Т
В обычных условиях водород представляет собой двухатомную молекулу Н₂. Энергия ковалентной связи составляет 436 кДж/моль, следовательно, разрушение такой молекулы возможно только при высоких температурах. Свободный водород способен активно взаимодействовать со многими элементами, реагируя и с восстановителями, и с окислителями, и проявляя при этом, соответственно, окислительные и восстановительные свойства. Так, например, в реакциях со щелочными и щелочноземельными металлами водород выступает в качестве окислителя:
2Na + Н₂ = 2NaH
а по отношению к кислороду, сере, галогенам проявляет восстановительные свойства:
С1₂ + Н₂= 2НС1
Восстановительные свойства водород проявляет и при взаимодействии с другими неметаллами, образуя соединения с ковалентной полярной связью. Эти свойства проявляются только при нагревании (за исключением реакций с фтором и хлором), что связано с большой энергией связи в молекуле водорода. Реакции с галогенами протекают по-разному. Фтор реагирует с водородом со взрывом в темноте. Взаимодействие с хлором происходит под действием ультрафиолетового облучения по цепному свободно-радикальному механизму. С бромом реакция протекает значительно медленнее, с йодом не идет до конца даже при высокой температуре, поэтому бромоводород и йодоводород получают косвенным путем.
При нормальных условиях водород не взаимодействует с кислородом, однако при пропускании искры или нагревании смеси из двух объемов водорода и одного объема кислорода (гремучий газ) реакция протекает со взрывом. При пропускании водорода через расплавленную серу образуется сероводород. При нагревании в присутствии катализатора губчатого железа водород обратимо реагирует с азотом с образованием аммиака, причем равновесие в реакции смещается вправо только при высоком давлении:
3H₂+N₂< ^to’^p’^ct >2NH₃
Эта реакция имеет практическую значимость для биологии, поскольку аммиак является исходным веществом для синтеза азотной кислоты, азотных удобрений, различных аминов и другой азотсодержащей органики.
Водород способен восстанавливать некоторые металлы из их оксидов, например:
Cu0 + H₂ = Cu + H₂0
Отдавая электрон, атом водорода переходит в элементарную частицу — протон. В водном растворе протон взаимодействует с кислородом воды по донорноакцепторному механизму (кислород — донор пары валентных электронов, водород — их акцептор) с образованием катиона гидроксония Н₃0⁺ (возможно образование и более сложных ионов):
Н₂0 + Н⁺ = Н₃0⁺
Основными потребителями водорода в химической промышленности являются производства аммиака, хлороводорода и метилового спирта. Значительные объемы водорода расходуются в процессах гидрогенизации жиров и масел.

2. 
   ВОДОРОД В БИОЛОГИИ
   

Водород содержится практически во всех пищевых продуктах, однако основное его количество попадает в организм в виде воды, меньшее — в виде органики. Еще раз отметим, что химия органических соединений на основе С, Н и О — это отдельная дисциплина. В аспекте бионеорганической химии нас будут в первую очередь интересовать неорганические соединения водорода в организме, главным из которых является вода (см. главу 3). Кроме того, это пероксид водорода (см. главу 4) и аммиак, его производные. Здесь же мы рассмотрим роль кислотности среды, определяемой катионом водорода Н⁺ или протоном (точнее, гидроксонием), т. е. pH:
pH = -lg[H⁺]
Если основность среды организма определяется основаниями, например на основе аммиака или его производных — аминов, то ее кислотность связана с содержанием органических и неорганических кислот. Так, в желудке высших животных и человека она определяется содержанием свободной соляной кислоты:
НС1 -> Н⁺ + СГ
Это связано с тем, что гидролитические ферменты желудка (пепсин, трипсин и др.) активны только в кислой среде. Ее изменение, в первую очередь в сторону подщелачивания, снижает их активность, отражаясь на функциях желудочного сока. Это требует перорального введения соответствующих препаратов.
Среда ротовой полости, слюны или кишечника является слабощелочной, способствующей протеканию соответствующих реакций, в том числе ферментативных, а в кишечнике, кроме того, пригодной для жизнедеятельности его микрофлоры. Желчь, например, имеет pH 7,5-8,5, что необходимо для щелочного гидролиза жиров. Подкисление отражается на пищеварительном процессе. Кислая среда в этом случае — источник гастритов, эрозий, язв и других патологий, что требует медикаментозного вмешательства.
Кровь, лимфа и некоторые другие биорастворы имеют значение pH, близкое к нейтральному (см. табл. 9). Основными механизмами поддержания pH в организме являются: респираторная (легочная) система регуляции, почечная (выделительная) система, буферные системы крови (белковая, гемоглобиновая, карбонатная, фосфатная). Последние образованы на основе угольной и ортофосфорной кислот, их солей (кровь человека содержит около 0,025 моль/л углекислого газа и столько же гидрокарбонат-анионов, которых у мужчин примерно на 5% больше, чем у женщин). Механизм буферного действия основан на равновесии в следующих реакциях:
CO|-+H⁺<->HCOi
НРО|-+Н⁺ <->H₂POi
Таким образом, кислотность среды организма зависит от содержания в ней определенных солей, в том числе кислых неорганических, диссоциирующих с образованием катиона водорода. Заметим, что в природных водоемах также присутствуют эти и подобные им буферные системы, поддерживающие определенное значение pH. Кислые соли неорганических кислот, растворенные в воде, поглощаются вместе с ней различными организмами, в первую очередь гидробионтами, что способствует движению этих солей по пищевым цепям.
Содержание органических и неорганических кислот и управление кислотностью в организме осуществляется следующими путями:

• 
  выделение кислоты через желудочно-кишечный тракт, почки, легкие, кожу;
  
• 
  нейтрализация кислоты с помощью минералов на основе кальция, магния, калия, натрия;
  
• 
  накопление кислоты в тканях, прежде всего в мышцах.
  

Следует отметить, что с участием ионов водорода в организме происходит связывание катионов металлов в комплексы, протекают реакции осаждения (например, образование минеральной основы костной ткани) и гидролиза, например липидов, полисахаридов, пептидов. Кроме того, катион водорода, как полагают, избавляет наш организм от биливердина.
Особая роль в биологических жидкостях принадлежит водородным связям (донорно-акцепторное взаимодействие между водородом одной молекулы или группы в молекуле и сильно элекроотрицательным элементом другой). Именно они определяют формирование ассоциатов молекул воды с ионами и полярными молекулами, а также между молекулами воды. Такие связи стабилизируют, например, вторичную структуру белка (альфа-спираль, бета-слой), которая напрямую связана с его свойствами. Благодаря водородным связям осуществляется копирование молекулы ДНК, которая передает генетическую информацию из поколения в поколение.

3. 
   КИСЛОТНОСТЬ СРЕДЫ
   

При исследовании почвы водородный показатель pH, как отмечалось, является одной из наиболее важных ее характеристик. Разные почвы могут иметь значение pH от 4,5 до 10. По нему, в частности, можно судить о содержании в почве питательных веществ, а также о том, какие растения могут успешно расти на данной почве. Например, рост фасоли, салата, черной смородины затрудняется при pH почвы ниже 6,0, капусты — ниже 5,4, яблони — ниже 5,0, картофеля — ниже 4,9. Кислые почвы обычно менее богаты питательными веществами, поскольку хуже удерживают в составе природных комплексов катионы металлов, необходимые растениям. Например, попавшие в почву ионы водорода вытесняют связанные ионы Са²⁺. Вытесненные из глинистых (алюмосиликатных) пород ионы алюминия в больших концентрациях токсичны для сельскохозяйственных культур.
Для нейтрализации кислых почв используют их известкование (раскисление) — внесение веществ, постепенно связывающих избыток кислоты. Таким веществом могут служить природные минералы: мел, известняк, доломит, а также известь, шлак металлургических заводов. Количество внесенного раскислителя зависит от буферной емкости
почвы. Например, для известкования глинистой почвы требуется больше раскисляющих веществ, чем песчаной.
Большое значение имеет водородный показатель pH природной воды, зависящий от кислотности почвы и дождевой воды, которая может оказаться довольно кислой из- за присутствия в ней серной и азотной кислот. Эти кислоты образуются в атмосфере, в том числе под влиянием кислорода, из оксидов азота и серы (IV), которые выбрасываются с отходами многочисленных производств, транспорта, котельных и ТЭЦ. Известно, что кислотные дожди с низким значением pH (менее 5,6) губят растительность и живой мир водоемов. Поэтому постоянно ведется контроль pH дождевой воды.

1.