Учебное пособие Издание третье, стереотипное

Глава 3
ВОДА

1. 
   ХИМИЯ воды
   

Вода (оксид водорода) — одно из самых распространенных в природе веществ. Она занимает 2/3 поверхности Земли, находясь и в ее глубинах. Основная экологическая функция воды — осуществлять растворение и транспорт органических и неорганических соединений. В природной воде содержится около 60 химических элементов в виде ионов, а также газы — кислород, азот, углекислый газ и пр. Заметим, что вода находится также в почве и воздухе (в тропосфере). Причем, его влажность колеблется на Земле в широких пределах: от 90% в районе Амазонки до 20% и ниже в пустынях.
Вода уникальна тем, что на Земле находится сразу в трех агрегатных состояниях: жидком, твердом и газообразном. Ее особенностью является аномалия ряда физикохимических свойств, например увеличение объема и снижение плотности при замерзании (минимум при 4°С). Именно низкая плотность льда по сравнению с жидкой водой, т. е. его образование на поверхности водоемов, позволяет сохраниться водным растениям и животным в зимний период.
Еще одним важным свойством воды является высокая теплоемкость — в 3000 раз больше, чем у воздуха. Это означает, что при охлаждении одного объема воды на один градус выделяется количество тепла, достаточное для нагревания на один градус 3000 объемов воздуха. Таким образом, аккумулируя тепло, вода оказывает смягчающее влияние на климат (так называемый температурный демпфер), не позволяя резко изменяться температуре, например при переходе от дня к ночи.
В воде зародилась жизнь. Сегодня вода нужна растениям и многим простейшим для фотосинтеза, а любому организму — как растворитель и переносчик веществ, температурный демпфер, среда и участник многих процессов. Животным необходима газообразная влага, жидкость в составе пищи, а также питьевая вода. Она влияет
на процессы пищеварения и обмена (см. ниже). Вода во многом определяет рост, развитие, продуктивность и естественную резистентность животных.
Молекула воды имеет угловое строение, поскольку валентные электронные орбитали атома кислорода находятся в состоянии вр³-гибридизации:

о

Связи Н-0 — ковалентные полярные. Электронная плотность смещена к атому кислорода. Следствием такого строения является полярность всей молекулы воды.

Чистая вода представляет собой бесцветную прозрачную жидкость без запаха и вкуса. Стандартная энтальпия образования жидкой воды равна -285,83 кДж/моль. При нормальном давлении ее температура плавления 0°С, температура кипения 100°С. Вода имеет наибольшую теплоемкость среди жидкостей, что объясняется образованием водородных связей между ее молекулами. Плотность воды максимальна при 4°С и равна 1 г/мл. При кристаллизации она уменьшается. Плотность обычного льда 0,91 г/мл.
Вода — универсальный растворитель, среда для протекания многих химических реакций. Она способна выполнять каталитические функции. Например, сухой хлороводород не реагирует с аммиаком или металлами, а металлический натрий не горит в сухом хлоре, но добавление воды вызывает бурную реакцию между ними. Вода вступает в химическое взаимодействие со многими простыми и сложными веществами. В частности, следует отметить реакции гидролиза. Наиболее важными для биосистем являются реакции гидролиза солей, входящих в состав биосред, а также полипептидов, липидов, АТФ И др.
Окислительно-восстановительные свойства воды связаны с окислительной способностью Н⁺ и восстановительной О²”. Еще одно важное свойство воды — ее донорная способность, обусловленная наличием у кислорода неподеленных электронных пар. Вследствие этого катионы ряда переходных металлов в воде находятся в виде аквакомплексов, а протон (катион водорода) образует катион гидроксония Н₃0⁺.
Поскольку в природе содержание воды огромно, то проблема ее химического получения не стоит, но есть вопросы ее очистки. Для этого на станциях водоочистки используется реакция гидролиза солей железа или алюминия с последующим осаждением образующихся гидроксидов металлов, в процессе которого захватывается и удаляется большинство примесей. Образующийся осадок отделяется фильтрацией через слои песка. Для более высокой степени очистки воды используются ионный обмен и дистилляция.
Следует отметить, что метаболическая вода образуется во многих биохимических реакциях — при реакциях нейтрализации, в результате биологического окисления, в процессах конденсации и др. В частности, в организме человека в сутки образуется около 200 г воды. Одной из важнейших реакций с выделением воды является образование пептидной связи в результате взаимодействия карбоксильной группы одной ос-аминокислоты с аминогруппой другой:
NHjjCHCRjJCOOH + NH₂CH(R₂)COOH ->
-> NH₂CH(R₁)CONHCH(R₂)COOH + Н₂0
При увеличении количества воды (свободной!) в организме, его клетках эта реакция может идти в обратном направлении, вызывая деструкцию белков.
Химические свойства воды. Вода — природное амфотерное соединение, слабый электролит с константой диссоциации 1,8-10^-16. Диссоциация протекает в соответствии со следующей реакцией:
Н₂0 нНЧ ОН
Полярность и малые размеры молекулы воды определяют ее гидратирующую способность. Кроме того, как отмечалось, вода проявляет каталитические свойства.
При обычных условиях вода взаимодействует с основными оксидами щелочных и щелочноземельных метал-
лов, а также с ангидридами кислот (кислотными солеобразующими оксидами), например:
СаО + Н₂0 = Са(ОН)₂ Р₂0₅ + ЗН₂0 = 2Н₃Р0₄
Как окислитель вода активно взаимодействует со щелочными и щелочноземельными металлами при обычных условиях, например:
2Na + 2Н_аО = 2NaOH + Н₂Т
Как восстановитель вода вступает в реакцию с фтором: 2Н₂0 + 2F₂ = 4HF + 0₂

2. 
   ВОДА В ОРГАНИЗМЕ
   

Вода — основное вещество в организме (см. табл. 9). В теле новорожденного человека содержание воды составляет около 80%, у взрослого — 55-60%. У взрослых млекопитающих и птиц вода составляет порядка 65%, или 2/3 живой массы тела. Вода составляет от 60 до 90% животных тканей. Максимум — в слюне (около 100%), меньше в крови (около 90%), еще меньше в мышцах (7080%) и костях (22%), а минимальное количество в составе зубов (менее 2%). Но вода есть везде. В частности, в клетках, их цитоплазме ее содержится около 90%, причем это не та вода, которая находится в водоемах или льется из крана. Вода в цитоплазме — это на 90% структурированная жидкость, связанная с биомолекулами и отличающаяся по свойствам от обычной (см. ниже).
Вода принимает участие в значительном числе биохимических реакций как исходное соединение (гидролиз, окисление, фотосинтез) и как продукт (конденсация, окисление), а также как катализатор. Она присутствует во всех физиологических и биологических процессах, например обеспечивая обмен веществ между организмом и внешней средой, между клетками и внутри клеток. Она придает биологическим растворам хорошую текучесть и смачивает трущиеся поверхности, обеспечивая скольжение. Вода является структурной основой клеток, необходимой для поддержания ими оптимального объема и давления (тургор). Она определяет пространственную структуру и функции
биомолекул. Высокая теплоемкость воды позволяет ей выступать в качестве терморегулятора в организме.
Вода в биологических средах, как правило, находится в виде ассоциатов с неорганическими ионами и биологическими молекулами — белками, углеводами идр., т. е. все биомолекулы окружены гид ратной оболочкой. Вода в полислоях биомолекул называется связанной (100 г белка могут связать 20-50 г воды). Ее содержание составляет до 80% от общей массы воды в клетке. Остальная вода представляет собой ассоциированную за счет водородных связей подвижную структуру. Такая, называемая свободной, вода содержится в плазме крови, лимфе, спинно-мозговой жидкости, пищеварительных соках, моче. В межклеточном пространстве, где ее сравнительно мало, она удерживается за счет капиллярных сил. Свободная вода обеспечивает приток питательных веществ к тканям и удаление из них продуктов обмена.
Функции воды в организме как растворителя многочисленных соединений и их переносчика, среды и участника химических реакций, температурного демпфера и прочего хорошо известны. Так, вода обладает высокой удельной теплоемкостью и, вследствие медленного теплообмена с окружающей средой, обеспечивает поддержание постоянной температуры тела. При перегреве происходит испарение воды с поверхности тела. Из-за высокой теплоты парообразования воды этот процесс сопровождается затратами энергии, и температура тела понижается (на испарение 1 г воды затрачивается 2,26 кДж тепла). В водной среде за счет буферных систем организма (карбонатной, фосфатной и гемоглобиновой) поддерживается кислотно-основной баланс и pH (см. выше). Менее доступными и во многом спорными являются сведения о специфической энергетике воды («горение воды». — Воейков) и ее информационных свойствах (так называемая память воды). Нельзя также не отметить особые свойства дейтериевой, или так называемой тяжелой воды, являющейся токсичной для организмов.
Полярность и химические свойства воды как слабого электролита:
Н„0 Н⁺ + ОН
а также окислителя (водород Н⁺) и восстановителя (кислород О”²) чрезвычайно важны как в природных, так и в биологических системах. Особую роль играет способность воды выступать в роли лиганда в комплексах с катионами металлов (кислород воды — донор электронной пары, металл — ее акцептор), например:
КОН + А1(ОН)₃ + 2Н₂0 -> К[А1(0Н)₄(Н₂0)₂]
Важнейшим свойством воды является ее способность к образованию ассоциатов. Именно ассоциаты молекул воды (простейший из 5 молекул), образованные, главным образом, посредством водородных связей (кислород — донор, водород — акцептор электронной пары):
ОН< :ОН
Н Н -КН₂0)„
определяют ее аномальные свойства, такие как высокая теплоемкость, завышенные температуры кипения и плавления и др. Отмечают, что п в ассоциате воды может достигать ста и выше (Бульенков).
Ассоциаты могут образоваться и в присутствии в воде различных соединений. Полярные гидрофильные вещества образуют в своей гидратной оболочке полислои из молекул воды, что способствует их растворению, а неполярные гидрофобные, разрушающие структуру воды с образованием клатратов, вытесняются ею в отдельную фазу. Дифильные, т. е. гидрофильно-гидрофобные соединения в результате удаления из воды гидрофобной части молекулы («хвоста») и ее экранирования гидрофильной «головкой» способны формировать собственные структуры в водном растворе — мицеллы, липосомы, а на ее поверхности — монослои. Последнее свидетельствует о поверхностной активности таких соединений (ПАВ — поверхностно-активные вещества).
Воду, находящуюся в организме, принято условно разделять на внеклеточную и внутриклеточную. Внеклеточная вода — это интерстициальная жидкость, окружающая клетки; внутрисосудистая жидкость (плазма крови) и трансцеллюлярная жидкость, которая находится в серозных полостях и полых органах.
Особое место принадлежит так называемой ассоциированной, или иммобилизованной, воде в клетке (межфазной воде. — Воейков, Поллак и др.). Здесь ее свойства существенно отличаются от природных (табл. 11). В частности, она не замерзает при 0°С, в ней плохо растворяются некоторые растворимые в обычной воде соединения. Гидратация биомолекул и иммобилизация воды различными структурами препятствуют ее вытеканию при рассечении тканей. Способностью молекул воды в цитоплазме к ассоциации, гидратации ионов Поллак объясняет трансмембранный транспорт (калий — внутрь, натрий — наружу), внутриклеточный транспорт веществ, динамические характеристики клеток, а также многие другие их свойства. Его гипотеза об исключительных свойствах воды в цитоплазме находит сегодня сторонников.