6.24. Биологически важные свойства воды: полярность воды и ее способность к когезин

До сих пор мы не касались вопроса о том, как влияет вода на три основных типа связей, которые мы только что рассмотрели.

На самом деле вода - активный участник молекулярных взаимодействий в биологических системах. В этом отношении два ее свойства имеют совершенно особое значение.

1. Молекулы воды полярны. Они имеют не линейную, а треугольную форму, вследствие чего распределение заряда оказывается асимметричным. Ядро атома кислорода оттягивает электроны от атомов водорода, и вокруг последних возникает область с общим положительным зарядом. Если вокруг атома кислорода описать тетраэдр так, чтобы в двух его углах находились атомы водорода, то два других угла тетраэдра окажутся электроотрицательными. Таким образом, молекула воды представляет собой полярную структуру:

2. Молекулы воды обладают высоким сродством друг к другу. Группа молекул воды образует конгломерат, в котором область положительного заряда отдельной молекулы ориентируется относительно области с отрицательным зарядом одной из близлежащих молекул. Каждая из двух областей с отрицательным зарядом притягивает протон от соседней молекулы. В то же время их собственные протоны притягивают кислородный конец соседней молекулы. Таким образом, каждый атом

Рис. 6.27. Энергия связей, обусловленных вандерваальсовыми взаимодействиями, как функция расстояния между двумя атомами.

Рис. 6.28. Структура одной из форм льда.

Рис. 5.29. Вода ведет себя как конкурент при образовании водородных связей.

кислорода является центром тетраэдра, образованного другими кислородами, причем расстояние составляет 2,76 А.

На рис. 6.28 показана одна из структур льда. При таянии льда высок оупорядоченная структура его кристаллов разрывается во многих местах. Однако при этом разрушается лишь около 15% связей. В жидкой воде каждая молекула образует водородные связи в среднем с 3,4 соседних молекул. Таким образом, в жидком состоянии вода сохраняет частично упорядоченную структуру. Процесс образования и распада объединенных водородными связями агрегатов молекул воды идет беспрерывно. Самая удивительная особенность воды - это способность ее молекул соединяться друг с другом. И действительно, в воде число протонов и число свободных пар электронов, создающих соответственно положительные и отрицательные полюсы для образования водородных связей, всегда равны между собой. Расположение этих связей в виде тетраэдра приводит к образованию развитой трехмерной структуры. Таким образом, вода обладает высокой когезионной силой.