Глава II. Учение о растворах

§ 1. Роль воды в жизнедеятельности организма

Вода уникальна по своим свойствам и, вероятно, этим обус­ловлена ее роль в процессах жизнедеятельности. На Земле основные механизмы реакций, связанные с зарождением жиз­ни,— биосинтез, ферментативный катализ—складывались в процессе длительной эволюции с непосредственным участием воды.

Все активно существующие клетки живых организмов со­стоят из 60 —80 % воды. В организме взрослого человека мас­сой 70 кг содержится 45—50 л воды, из которых 3,5 л прихо­дится на плазму крови (всего 5 л крови), 10,5 л —на лимфу и внеклеточную воду тканей. Остальное количество составля­ет внутриклеточная вода.

Физические и химические свойства воды определяют мно­гие характерные особенности биологических процессов. Про­цессы пищеварения, обмена веществ, кроветворения, синтеза

І

тканей осуществляются в водных растворах с активным уча­стием воды. Вода является растворителем органических и неор­ганических веществ; с водой удаляются из организма ядови­тые, шлаки; вода, выделяемая потовыми железами и испаряю­щаяся с поверхности кожи, регулирует температуру тела; слезы, состоящие на 99 % из воды, непрерывно увлажняют глаза, смывая с них пылевые частички.

Таблица 5. Содержание воды в отдельных органах животных

Органы и ткани	Количество	Органы и ткани	Количество
	воды, %		воды, %
Скелет	22,0	Белое вещество	70,0
Хрящ	55,0	мозга
Соединительная	79,6	Селезенка	76,0
ткань		Кишки-	77,9
Печень	69,6	Легкие	79,1
Спинной мозг	69,7	Сердце	79,3
Кожа	72,0	Почки	83,0
Мышцы	76,6	Кора мозга	83,3

Из данных табл. 5 следует, что особенно богаты водой наи­более интенсивно функционирующие органы. В них происхо­дит внутриклеточный обмен материи и энергии, в основе кото­рого лежат сложные биохимические процессы. Только в водной среде эти процессы могут протекать с высокой интенсивностью, характерной для живых организмов.

Вода обладает аномальными свойствами: высокой темпера­турой кипения, значительной растворяющей и диссоциирую­щей способностью, малой теплопроводностью, высокой тепло­той испарения и др. (табл. 6).

а

Рис. 2. Пространственная структура воды:

а — строение отдельной молекулы; б — часть тетраэдрического каркаса жидкой воды {черные кружочки — атомы водорода, белые— атомы кислорода; сплошные-линии —ковалентные свя­зи, штриховые — водородные связи).

Аномальные свойства воды обусловлены строением ее мо­лекулы и структурой в жидком состоянии. Связь между кисло­родом и водородом в молекуле воды высокополярна. Диполь­ний момент этой связи равен 6,1 • 10~⁸⁰ Кл- м. Центры отри­цательного и положительного зарядов ориентируют молекулы воды относительно друг друга. Каждая молекула воды притягивает к себе четыре другие, образуя основу конфигу­рации тетраэдра (рис. 2).

В жидкой воде такая «тетраэдрическая» структура нахо­дится в состоянии динамического равновесия — упорядо­ченные структуры смешаны с хаотически распределенными мо­лекулами. Некоторые ученые представляют структуру воды в виде ассоциатов ■— «мерцающих кластеров» с включенными в них мономерными молекулами (рис. 3).

В образовании «тетраэдров» и «мерцающих кластеров» большую роль играют водородные связи. Водородная связь образуется между атомом водорода одной и атомом кислорода другой молекулы воды. Ассоциаты воды схематически пред­ставлены на рис. 4.

Энергия водородной связи составляет 20—25 кДж/моль. Это в двадцать раз ниже энергии ковалентной связи, но зна­чительно выше энергии межмолекулярного взаимодействия. Отсюда следует, что водородная связь вполне может обуслов­ливать структурирование жидкой воды, хотя структуры эти непрочные.

При переходе воды из жидкого состояния в твердое ее структура становится более рыхлой, расстояние между моле­кулами увеличивается, чем объясняется меньшая плотность

льда. Наибольшей плотностью вода обладает при температуре + 4 °С. Это свойство воды препятствует промерзанию водо­емов, и жизнь в них сохраняется в самые суровые зимы.

Низкая теплопроводность и высокие теплоемкость и тепло­та испарения воды обеспечивают поддержание постоянной тем­пер лтуры тела у теплокровных животных. Высокая диэлек­трическая проницаемость воды обусловливает ее хорошую растворяющую и диссоциирующую способность.

В организме вода обеспечивает перенос питательных ве- ществ и продуктов обмена, участвует в процессах набухания и диффузии, поддерживает постоянную концентрацию ионов водорода в жидких средах и постоянное осмошн.е.ско.е давле- ние. Вода участвует в процессах окисления — восстановления ™~~ и гидрол!Ш~различных веществ

организма; окружая коллоидные частички гидратной оболочкой, она повышает их стабильность. Вода обеспечивает определенную конфигурацию биополимеров, необходимую им для выполне-Рис. 4. Ассоциаты молекул воды ^ни* ^своих биохимических функ-(цепочка — водородная связь). ций.