2.3. Вода.

 

Вода непосредственно и самым тесным образом участвует во всех физиологических процессах, но именно из–за того, что она столь вездесуща, ее роль часто недооценивают, считая ее просто инертным «наполнителем» в живых системах. Однако вода – это чрезвычайно реакционноспособное вещество, совершенно не похожее по своим физическим и химическим свойствам на большинство других жидкостей. Она обладает необычными свойствами, очень важными для живых систем. И если бы эти свойства у воды отсутствовали, жизнь, насколько мы можем судить, была бы невозможна. Первые живые системы возникли предположительно в водной среде мелких морей. Неудивительно поэтому, что современные живые организмы отлично приспособлены на молекулярном уровне к специфическим свойствам воды. Даже сухопутные животные на 75 % или более состоят из воды и обладают физиологическими механизмами, направленными на сохранение воды в организме и на регуляцию химического состава внутренней водной среды.

                Специфические свойства воды, которые так важны для жизни, являются  прямым следствием ее молекулярной структуры; рассмотрим поэтому вкратце, что из себя представляет молекула воды.

 

2.3.1. Молекула воды

 

Атомы в молекуле воды удерживаются вместе посредством полярных ковалентных связей, которые связывают один атом кислорода с двумя атомами водорода. Полярность ковалентных связей (т. е. неравномерное распределение заряда) в данном случае объясняется сильной электроотрицательностью атома кислорода по отношению к атому водорода. Это есть проявление сильного стремления со стороны атома кислорода «оттянуть» электроны от других атомов, в том числе от атома водорода. Такая значительная электроотрицательность приводит к тому, что электроны обоих атомов водорода в молекуле воды занимают положения в пространстве, статистически более близкие к атому кислорода, чем к «родительским» атомам водорода. Поэтому данная связь примерно на 40% является ионной по своей природе, а возникшие в результате дробные заряды распределены в молекуле следующим образом ( соответствует локальному дробному заряду на каждом атоме водорода):

 

 

 

Молекулу воды можно изобразить также, исходя из представлений о молекулярных орбиталях (рис. 2–9). Угол между двумя связями  О—Н в молекуле воды оказывается равным не 90°, как это должно быть в случае чисто ковалентного связывания, а 104,5°. Это объясняется взаимным отталкиванием положительно заряженных ядер атомов водорода, стремящимся раздвинуть их как можно дальше. В молекуле сероводорода, H₂S, связи S—Н носят чисто ковалентный характер; в ней отсутствует асимметрия в распределении заряда, наблюдаемая в молекуле Н₂О. Поэтому в H₂S валентный угол ближе к 90°. Из–за полуполярной природы связей НО вода сильно отличается по   своим химическим и физическим свойствам от H₂S и других гидридов, образованных элементами того же столбца периодической таблицы. Почему же так происходит?

 

Рис. 2.9. Схематические изображения молекулы воды, показывающие взаимосвязи между атомами кислорода и водорода в молекуле. А. Объемная модель. Б. Длины связей и углы между ними. (Lehninger, 1975.)

 

Неравномерное пространственное распределение электронов в молекуле воды из–за полуполярной природы связи Н—О приводит к тому, что молекула воды ведет себя как диполь. В этом смысле она похожа на магнит в виде стержня, только последний имеет два разноименных магнитных полюса, а у диполя два разноименных электрических полюса (+ и —) (рис. 2–9). Поэтому диполь стремится ориентироваться вдоль электростатического поля. Чем больше дипольный момент, тем больше силы, стремящиеся повернуть молекулу во внешнем поле. Большой дипольный момент молекулы воды (4,8 дебая) – это самая важная физическая особенность молекулы, объясняющая многие весьма специфические свойства воды.

Наиболее важной химической особенностью воды является способность ее молекул образовывать между собой водородные связи, т. е. связи, которые образуются между положительно заряженными протонами (атомами водорода) одной молекулы воды и отрицательно заряженными (ввиду избытка электронов) атомами кислорода соседних молекул воды (рис. 2–10). В каждой молекуле воды четыре из восьми электронов внешней оболочки атома кислорода ковалентно связаны с двумя атомами водорода. Остаются еще две пары электронов, которые могут взаимодействовать электростатически (т. е. образовывать водородные связи) с электрондефицитными атомами водорода соседних молекул воды. Поскольку угол между ковалентными связями в молекуле воды составляет около 105°, группы связанных водородными связями молекул воды образуют тетраэдрические структуры. Такое расположение молекул лежит в основе кристаллической структуры наиболее распространенной формы льда (рис. 2–11).

 

 

Рис. 2.10. Тетраэдрическое расположение водородных связей между молекулами воды.

 

Рис. 2.11. Кристаллическая структура льда. (Loewy, Siekevitz, 1969.)