| |
Вода - химия жизни
 Когда мы пытаемся определить, есть ли жизнь на Марсе или других планетах, специалисты в первую очередь пытаются установить, имеется ли там вода. Почему? Потому что на Земле жизнь полностью зависит от воды.
Большая часть живого, как растений, так и животных, основано на воде. Вся жизнь на Земле, как полагают, возникла из воды. Тела всех живых организмов состоят в основном из воды. От 70 до 90 процентов всей органической материи - это вода.
Химические реакции во всех растениях и животных, которые поддерживают жизнь, происходят в водной среде. Вода не только обеспечивает среду, которая делает возможными эти поддерживающие жизнь реакции, но вода сама по себе часто является важным реагентом или продуктом этих реакций. Короче, химия жизни - это химия воды.
Продолжение следует...
Вода - универсальный растворитель
Вода является универсальным, прекрасным растворителем из-за заметной полярности молекулы воды и ее тенденции к формированию водородных связей с другими молекулами. Одна молекула воды, обозначаемая химическим символом Н2О, состоит из 2 атомов водорода и 1 атома кислорода.
 Одиночный атом водорода содержит один положительно заряженный протон в центре и один отрицательно заряженный электрон, вращающийся вокруг него по трехмерной оболочке. С другой стороны, кислород содержит 8 протонов в своем ядре и 8 электронов, вращающихся вокруг него. В химическом обозначении это часто изображается, как буква О, окруженная восьмью точками, представляющими 4 набора спаренных электронов.
Единственный электрон водорода и 8 электронов кислорода - это ключ к химии жизни, потому что именно здесь атомы водорода и кислорода соединяются, чтобы образовать молекулу воды или расщепиться, чтобы образовать ионы.
Водород стремится ионизироваться путем потери своего единственного электрона и образования одиночных ионов Н+, которые являются просто изолированным протонами, поскольку атом водорода не содержит нейтронов. Водородная связь образуется, когда электрон одиночного атома водорода делится с другим электроотрицательным атомом, таким как кислород, у которого не достает электрона.
Полярность молекул воды
 В молекуле воды два атома водорода ковалентно связаны с атомом кислорода. Поскольку атом кислорода больше, чем атомы водорода, его притяжение для атомов водорода соответственно больше, так что электроны втягиваются ближе в оболочку более крупного атома кислорода из оболочек водорода. Это означает, что, хотя молекула воды в целом стабильна, большая масса ядра водорода стремится захватить все электроны молекулы, включая электроны, которые он делит с водородом, придавая кислородной части молекулы небольшой отрицательный заряд.
Оболочки атомов водорода, из-за того, что их электроны ближе к кислороду, приобретают слегка положительный заряд. Это означает, что молекулы воды стремятся к образованию слабых связей с молекулами воды, поскольку кислородный конец молекулы отрицателен, а водородный конец - положителен.
Атом водорода, оставаясь ковалентно связанным с кислородом собственной молекулы, может образовывать слабую связь с кислородом другой молекулы. Точно так же кислородный конец молекулы может образовывать слабое притяжение с водородными концами других молекул. Поскольку молекулы воды обладают такой полярностью, вода является непрерывной химической сущностью.
Эти слабые связи играют решающую роль в стабилизации формы многих больших молекул, обнаруживаемых в живой материи. Поскольку эти связи слабы, они готовы порваться и снова образовываться в ходе нормальных физиологических реакций. Разрыв и восстановление таких слабых связей является сутью химии жизни.
Чтобы проиллюстрировать способность воды разрушать другие вещества, рассмотрим простой пример, когда небольшое количество поваренной соли помещается в стакан водопроводной воды. У сухой соли (NaCl) притяжение между положительными атомами натрия (Na+) и отрицательными атомами хлора (Cl-) соли очень сильно до тех пор, пока ее не поместят в воду. После того, как соль помещена в воду, притяжение отрицательного кислорода молекулы воды в отношении положительно заряженных ионов натрия, и одновременно притяжение положительного водородного конца молекулы воды в отношении отрицательно заряженных ионов хлора оказывается больше, чем взаимное притяжение между ионами Na+ и Cl-. В воде ионные связи в молекуле хлористого натрия легко рвутся из-за конкурирующего действия многочисленных молекул воды.
Как видно из этого простого примера, даже хрупкая конфигурация отдельных молекул воды позволяет им разорвать относительно более сильные связи "общими усилиями". Вот почему мы зовем воду универсальным растворителем. Естественное растворение рвет связи в более крупных и комплексных молекулах. Это и есть химия жизни на Земле, в воде и на суше.
Окислительно-восстановительные реакции
В основном восстановление означает добавление электрона (е-), а его противоположность, окисление означает отбор электрона. Добавление электрона, восстановление, накапливает энергию в восстановленном соединении. Отбор электрона, окисление, высвобождает энергию из окисляемого соединения. Когда одно вещество восстанавливается, другое - окисляется.Чтобы пояснить термины, рассмотрим две молекулы, например, А и В. Когда молекулы А и В приходят в соприкосновение, вот что получается:
В захватывает электрон из молекулы А.
Молекула А окисляется, поскольку она потеряла электрон.
Чистый заряд В был восстановлен (уменьшен), поскольку она получила отрицательный электрон (е-).
В биологических системах отбор или добавление электрона составляет наиболее распространенный механизм окислительно-восстановительных реакций. Эти окислительно-восстановительные реакции часто называют ОВР.
Кислоты и основания
Кислота - это вещество, которое увеличивает концентрацию ионов водорода (Н+) в воде. Основание - это вещество, которое уменьшает концентрацию ионов водорода, увеличивая концентрацию гидроксидных ионов ОН+.
Степень кислотности или щелочности раствора измеряется в терминах величины, известной, как рН, которая является отрицательным логарифмом концентрации ионов водорода:
pH = 1/log[H+] = -log[H+]
Что такое рН?
По шкале рН, которая имеет диапазон от 0 на кислотном конце до 14 на щелочном конце, раствор является нейтральным, если его рН равно 7. При рН 7 вода содержит равные концентрации ионов Н+ и ОН-. Вещества с рН меньше 7 являются кислотами, поскольку они содержат более высокую концентрацию ионов Н+. Вещества с рН более 7 являются щелочами, поскольку они содержат более высокую концентрацию ОН-, чем Н+. Шкала рН является логарифмической шкалой, поэтому изменение рН на единицу означает десятикратное изменение концентрации ионов водорода.
Важность балансирования рН
Все живое чрезвычайно чувствительно к рН и функционирует наилучшим образом (за некоторыми исключениями, такими как определенные отделы пищеварительного тракта), когда растворы близки к нейтральным. Большая часть внутренней живой материи (за исключением ядер клеток) имеет рН около 6,8.
Плазма крови и другие жидкости, окружающие клетки в теле, имеет рН от 7,2 до 7,3. Многочисленные специальные механизмы помогают стабилизировать эти жидкости, так чтобы клетки не подвергались ощутимым флуктуациям рН. Вещества, которые служат в качестве механизма стабилизации рН, называются буферами. Буферы обладают способностью связывать ионы и удалять из из раствора, когда их концентрация начинает расти. Соответственно, буферы могут высвобождать ионы, когда их концентрация начинает падать. Таким образом, буферы помогают минимизировать флуктуации рН. Это важная функция, поскольку многие биохимические реакции, нормально протекающие в живых организмах, или высвобождают, или используют ионы.
Кислород: слишком много хорошего?
Кислород очень важен для жизни. В воздухе он относительно стабилен, но, будучи в слишком больших количествах поглощен телом, он может стать активным и нестабильным, и имеет тенденцию прикреплять себя к биологическим молекулам, включая молекулы здоровых клеток. Химическая активность таких свободных радикалов обусловлена одной или более пар несвязанных электронов.
Около 2% кислорода, которым мы обычно дышим, становятся активным кислородом, и это количество возрастает примерно до 20% при занятиях аэробикой.
|
