ГЛАВА 4. ВОДА

Вода является наиболее широко распространенным веществом в живой природе, и ее весовое содержание в большинстве живых организмов составляет 70% и более. Кроме того, как мы уже говорили, первые живые организмы возникли, вероятно, в первичном океане, так что вода - это по существу прародительница всего живого. Вода заполняет все составные части каждой живой клетки, и именно она представляет собой ту среду, в которой осуществляются транспорт питательных веществ, катализируемые ферментами метаболические реакции и перенос химической энергии. Поэтому все структурные элементы живой клетки и их функции обязательно должны быть приспособлены в отношении физических и химических свойств воды Более того, как мы узнаем дальше, клетки научились использовать уникальные свойства воды для реализации некоторых процессов их жизнедеятельности.

Часто мы рассматриваем воду просто как безвредную инертную жидкость, удобную для практического использования в разных целях. Хотя в химическом отношении вода весьма устойчива, она представляет собой вещество с довольно необычными свойствами. В самом деле, вода и продукты ее ионизации - ионы Н + и ОН - оказывают очень большое влияние на свойства многих важных компонентов клетки, таких, как ферменты, белки, нуклеиновые кислоты и липиды. Например, каталитическая активность ферментов в значительной мере зависит от концентрации ионов Н+ и ОН

4.1. Необычные физические свойства воды обусловлены ее способностью участвовать в образовании водородных связей

По сравнению с большинством других жидкостей вода имеет необычно высокие температуры плавления и кипения и теплоту испарения (табл. 4-1). Эти особенности воды свидетельствуют о сильном притяжении между соседними молекулами, вследствие чего жидкая вода характеризуется большим внутренним сцеплением.

Таблща 4-1. Температуры плавления, температуры кипения и теплоты испарения некоторых общеизвестных жидкостей

Теплота испарения и температура кипения жидкости непосредственно определяются количеством энергии, необходимой для преодоления сил притяжения между соседними молекулами, в результате чего они отрываются друг от друга и жидкость переходит в газообразное состояние.

Почему же для жидкой воды характерно столь сильное взаимное притяжение молекул? Ответ на этот вопрос вытекает из самой структуры молекулы воды. Каждый из двух атомов водорода (в молекуле воды) объединяет свой электрон с одним из электронов атома кислорода. Взаимное расположение возникающих при этом двух электронных пар обусловливает V-образную форму молекулы воды (рис. 4-1). Поскольку у атома кислорода имеются еще две неподеленные электронные пары, он несет частичный отрицательный заряд (в вершине V-образной структуры). Более электроотрицательный атом кислорода стремится притянуть электроны атомов водорода; поэтому на ядрах обоих атомов водорода (протонах) локализуются частичные положительные заряды. Хотя молекула воды в целом электрически нейтральна, ее частичные отрицательный и положительный заряды пространственно разделены, что приводит к возникновению у нее электрического диполъного момента. Благодаря такому разделению зарядов две соседние молекулы воды могут притягиваться друг к другу за счет сил электростатического взаимодействия между частичным отрицательным зарядом, локализованным на атоме кислорода одной молекулы воды, и частичным положительным зарядом, локализованным на атоме водорода другой молекулы (рис. 4-1). Такой тип электростатического притяжения называется водородной связью.

Поскольку расположение электронов вокруг атома кислорода близко к тетраэдрическому (рис. 4-1), каждая молекула воды в принципе может образовать водородные связи максимально с четырьмя соседними молекулами воды. Предполагается, что в любой данный момент в жидкой воде при комнатной температуре каждая молекула воды образует водородные связи в среднем с 3,4 других молекул.

Рис. 4-1. Биполярная природа молекулы показанная при помощи модели из шариков и стержней и пространственной модели . Поскольку расположение валентных электронных пар вокруг атома кислорода в молекуле воды близко к тетраэдрическому, на двух атомах водорода локализованы частичные положительные заряды, а на атоме кислорода - два частичных отрицательных заряда. В. Две молекулы связанные друг с другом водородной связью (обозначена цветными черточками), соединяющей атом кислорода верхней молекулы и атом водорода нижней молекулы. Каждая молекула принципе может быть связана водородными связями максимально с четырьмя другими молекулами как это имеет место в случае льда (см. рис. 4-2).

Молекулы в жидкой воде находятся в непрерывном движении, поэтому образующиеся водородные связи постоянно и быстро разрываются и вновь восстанавливаются. Во льду же молекулы воды зафиксированы в пространстве, и каждая из них оказывается связанной водородными связями с максимально возможным числом соседних молекул, т.е. с четырьмя; при этом образуется регулярная кристаллическая структура (рис. 4-2). Вода может служить примером полярной жидкости. В отличие от нее молекулы неполярных жидкостей, таких, как бензол или гексан, не проявляют заметной тенденции к электростатическому притяжению.

Рис. 4-2. Каждая молекула воды во льду связана водородными связями с четырьмя другими молекулами воды, так что при этом образуется регулярная кристаллическая решетка. В жидкой воде при комнатной температуре каждая молекула воды связывается при помощи водородных связей в среднем приблизительно с 3,4 молекул воды. Таким образом, в жидкой воде молекулы воды расположены относительно друг друга менее «рыхло», чем в кристаллической решетке льда, вследствие чего лед обладает меньшей плотностью по сравнению с водой и поэтому всплывает в ней.

Поэтому для разрушения межмолекулярных взаимодействий в таких жидкостях требуется гораздо меньше энергии, и значения теплоты испарения у гексана и бензола, как показывает опыт, действительно намного меньше, чем у воды (табл. 4-1).

Водородные связи слабее ковалентных. Согласно имеющимся данным, энергия водородных связей в жидкой воде (т.е. энергия, необходимая для разрушения одной связи) составляет всего лишь около 4,5 ккал/моль, тогда как энергия ковалентных связей Н—О в молекулах воды равна 110 ккал/моль. Тем не менее благодаря своей многочисленности водородные связи обеспечивают высокую устойчивость жидкой воды. Хотя в любой данный момент большинство молекул в жидкой воде соединено между собой водородными связями, время полужизни каждой из водородных связей составляет менее . Вследствие этого жидкая вода представляет собой не вязкую, а весьма подвижную жидкость Для обозначения присутствующих в жидкой воде короткоживущих групп молекул, связанных друг с другом водородными связями, иногда используют термин «мерцающие скопления» (flickering clusters).