Вода и минеральные вещества

Открой любой учебник биологии — глава о клетке начинается не с ядра и не с митохондрий, а с воды. Это не дань традиции. Если взвесить живую клетку, высушить её досуха и взвесить снова, окажется, что от 60 до 80 % массы ушло с водой. У медузы доля воды доходит до 98 %, у клеток головного мозга — около 85 %, и даже в сухой на вид эмали зуба её примерно 10 %. Всё остальное — белки, жиры, углеводы, соли — существует внутри этой воды и только благодаря ей работает.

Причина простая: химическая реакция идёт только между подвижными частицами. Пока вещество лежит сухим порошком, его молекулы скованы в кристалле и ни с чем не встречаются. Растворите тот же порошок — и молекулы (или ионы) расходятся, начинают сталкиваться и реагировать. Клетка — это место, где ежесекундно идут тысячи реакций, значит, ей нужна среда, в которой вещества подвижны. Такой средой и служит вода.

Венгерский биохимик Альберт Сент-Дьёрдьи, получивший Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 1937 году, сформулировал это короче всех: «Вода — вещество и матрица жизни, её мать и среда. Без воды нет жизни». Слово «матрица» здесь точное: вода не просто присутствует, она задаёт форму всему остальному — именно она сворачивает белок в глобулу и складывает мембрану из липидов.

Запомни логику, которую экзамен проверяет снова и снова: сначала строение молекулы воды, потом её свойства, и только потом функции в клетке. Все четыре функции из таблицы выше — растворитель, транспорт, терморегуляция, опора — это не отдельные факты для зубрёжки, а следствия одного-единственного устройства молекулы. Разберёмся с ним.

Чтобы понять, почему вода делает то, что она делает, пришлось сначала выяснить, из чего она сделана. До конца XVIII века вода считалась простым веществом, одной из четырёх стихий Аристотеля: её нельзя разложить, значит, она и есть первооснова.

Первым это опроверг Генри Кавендиш в 1781 году. Он поджёг в закрытом сосуде смесь «горючего воздуха» (водорода) с обычным воздухом и обнаружил на стенках росу — воду. Сосуд не был ничем наполнен заранее, взяться воде было неоткуда: значит, она образовалась из двух газов. Сам Кавендиш объяснял результат в терминах флогистона и не сделал главного вывода.

Вывод сделал Антуан Лавуазье: он повторил опыт, взвесил всё до и после и заявил, что вода — соединение двух элементов, один из которых он назвал «рождающим воду», hydrogène. Через несколько лет, в 1800 году, англичане Уильям Николсон и Энтони Карлайл зашли с другой стороны: пропустили через воду ток от только что изобретённого вольтова столба и получили два газа в объёмном отношении 2:1. Один опыт собрал воду из газов, другой разобрал её обратно — состав был доказан с двух концов.

Почему это важно для биологии. Вода перестала быть «стихией» и стала молекулой с конкретным устройством. А раз так, все её странности — то, что лёд плавает, что море не закипает на солнце, что соль в ней растворяется, а масло нет, — обязаны объясняться этим устройством. Дальше в уроке мы именно этим и займёмся: каждое свойство выведем из формы молекулы, а не запомним списком.

Молекула воды — это атом кислорода и два атома водорода, причём связи O–H расположены не на одной прямой, а под углом около 104,5°. Молекула получается «уголком», и это решает всё.

Кислород сильнее притягивает к себе общие электронные пары, чем водород (он электроотрицательнее). Электроны смещаются к кислороду, и на нём появляется частичный отрицательный заряд, а на каждом водороде — частичный положительный. Если бы молекула была прямой, эти заряды скомпенсировали бы друг друга. Но она уголком — и центры «плюса» и «минуса» не совпадают. Такая молекула называется полярной, то есть у неё есть два разноимённо заряженных полюса, как у крошечного магнита.

Дальше начинается самое важное. Положительный водород одной молекулы притягивается к отрицательному кислороду соседней — возникает водородная связь. Она гораздо слабее обычной ковалентной: примерно 20 кДж/моль против 460 кДж/моль у связи O–H, то есть примерно в двадцать раз. Поэтому водородные связи постоянно рвутся от теплового движения и тут же возникают заново — время жизни каждой измеряется триллионными долями секунды. Но их очень много: каждая молекула воды способна удерживать до четырёх соседей. Слабая связь, взятая в количестве, ведёт себя как прочный каркас.

Вывод, который нужно уметь произнести на экзамене: вода — единственное вещество на Земле, которое при обычных условиях встречается во всех трёх состояниях, кипит при целых 100 °C (у похожего по массе сероводорода — при минус 60 °C) и держит рекордную теплоёмкость. И всё это — из-за водородных связей. Проверяющий ждёт не слов «вода уникальна», а цепочки: полярность молекулы → водородные связи → конкретное свойство → функция в клетке.

Разберём устройство молекулы по шагам — дальше всё будет следствием.

Шаг 1. Угол. Кислород отдаёт на связи с водородами две электронные пары, но у него остаются ещё две неподелённые пары. Все четыре пары расталкиваются, и молекула получается не линейной, а уголковой: угол H–O–H равен 104,5°. Будь молекула прямой, как CO₂, её дипольные моменты погасили бы друг друга, и вода была бы обычным летучим веществом без единого из своих чудес.

Шаг 2. Смещение электронов. Кислород электроотрицательнее водорода (3,44 против 2,20 по шкале Полинга), поэтому общие электронные пары смещены к нему. На кислороде возникает частичный отрицательный заряд, на водородах — положительный. Уголковая форма не даёт этим зарядам скомпенсироваться: молекула становится диполем, у неё есть «плюсовой» и «минусовой» концы.

Шаг 3. Водородная связь. Положительный водород одной молекулы притягивается к неподелённой паре кислорода соседней. Это и есть водородная связь. Она примерно в двадцать раз слабее ковалентной связи O–H внутри молекулы — порвать её легко. Но каждая молекула воды способна образовать до четырёх таких связей (две своими водородами, две — своими неподелёнными парами), и в жидкой воде они рвутся и возникают заново непрерывно, за ничтожные доли секунды.

Шаг 4. Вывод. Отсюда всё. Чтобы испарить воду, надо порвать множество водородных связей — отсюда высокая теплота испарения и охлаждение при потоотделении. Чтобы нагреть воду, энергия сначала уходит на расшатывание связей, а не на разгон молекул, — отсюда высокая теплоёмкость и мягкий климат у моря. При замерзании связи выстраивают молекулы в ажурную решётку с пустотами — отсюда лёд легче воды. Диполь растаскивает ионы кристалла соли и окружает их — отсюда растворяющая способность. Одна причина, четыре следствия.

1. Вода — растворитель. Полярная молекула воды окружает ион или полярную молекулу, разворачивается к ней нужным полюсом и растаскивает кристалл на частицы. Поваренная соль в воде расходится на Na⁺ и Cl⁻, каждый ион одевается в «шубу» из молекул воды (это называется гидратацией) и дальше движется самостоятельно. Вещества, которые вода растворяет, называют гидрофильными («любящими воду»); те, что не растворяет, — гидрофобными.

2. Вода — переносчик. Раз вещества растворены, их можно перемещать. Кровь, лимфа, тканевая жидкость у животных, восходящий и нисходящий ток у растений — всё это водные растворы. Без воды транспорт в организме невозможен в принципе: твёрдое тело перемещать нечем.

3. Вода стабилизирует температуру. Чтобы нагреть воду на один градус, нужно очень много энергии — её удельная теплоёмкость 4200 Дж на килограмм на градус, выше, чем почти у любой жидкости. Причина та же: часть подводимого тепла уходит не на разгон молекул, а на разрыв водородных связей. Поэтому организм, состоящий из воды, медленно нагревается и медленно остывает. А испарение воды, наоборот, охлаждает: на превращение килограмма воды в пар тратится около 2260 кДж, и это тепло уносится с поверхности. Отсюда потоотделение у человека и транспирация у растений.

4. Вода создаёт опору. Вода практически несжимаема. Заполненная водой вакуоль давит изнутри на клеточную стенку — возникает тургор, и травянистое растение стоит прямо без всякой древесины. Потеряла воду — увяла. У круглых червей и медуз ту же роль играет гидроскелет: водная полость под давлением работает как опора для мышц.

Есть и пятое следствие, про которое часто забывают: вода — участник реакций, а не только среда. Она присоединяется по месту разрыва связи в реакциях гидролиза (так расщепляются белки, крахмал, жиры в пищеварении) и отщепляется при образовании полимеров. В фотосинтезе вода вообще служит источником электронов и того кислорода, которым мы дышим.

Деление веществ на гидрофильные и гидрофобные выглядит формальностью ровно до того момента, пока не спросят, откуда взялась клеточная мембрана. А взялась она именно отсюда.

Гидрофильны те вещества, чьи молекулы сами полярны или заряжены: соли, сахара, аминокислоты, спирты. Вода охотно окружает их и растаскивает. Гидрофобны неполярные вещества — жиры, воски, каротиноиды, углеводородные «хвосты». Строго говоря, вода их не столько отталкивает, сколько предпочитает соседство себе подобных: молекулы воды смыкаются друг с другом водородными связями и выдавливают чужака. Капля масла в стакане воды собирается в шарик не потому, что масло боится воды, а потому что вода смыкается вокруг него.

Теперь возьмём фосфолипид — главную молекулу мембраны. У неё два хвоста из жирных кислот (гидрофобные) и головка с остатком фосфорной кислоты (гидрофильная). Такая молекула не может определиться: одним концом ей место в воде, другим — подальше от воды. Брось горсть фосфолипидов в воду — и они сами, без всякого участия ферментов, сложатся в двойной слой: головки наружу, к воде, хвосты внутрь, друг к другу. Получится бислой — основа любой мембраны. Ни одна клетка не строит мембрану по чертежу: она собирается самопроизвольно, потому что так выгоднее энергетически.

Отсюда и правило проницаемости, которое любят на экзамене: через липидный слой сами собой проходят мелкие неполярные вещества (кислород, углекислый газ) и жирорастворимые молекулы, а заряженные ионы и крупные полярные молекулы — нет, для них нужны белковые каналы и переносчики. Спирт и эфир для наркоза действуют быстро именно потому, что растворимы в липидах и проходят мембрану напрямую.

Осмос — это диффузия воды через мембрану, проницаемую для воды, но не для растворённого вещества. Вода всегда идёт туда, где раствор более концентрированный, то есть где воды относительно меньше. Направление запоминается одной фразой: «вода идёт за солью».

Растворы по отношению к содержимому клетки делят на три типа.

— Гипотонический (концентрация снаружи ниже): вода входит в клетку. Растительная клетка раздувается до упора и упирается в прочную клеточную стенку — возникает тургор, клетка становится упругой. Животная клетка стенки не имеет, поэтому раздувается и лопается; для эритроцита это называется гемолиз. — Гипертонический (концентрация снаружи выше): вода выходит. У растительной клетки протопласт отстаёт от стенки — это плазмолиз. Животная клетка сморщивается. — Изотонический: концентрации равны, потоки воды уравновешены. Именно поэтому при кровопотере вводят физиологический раствор — 0,9 % NaCl: в нём эритроциты не лопаются и не сморщиваются.

Отсюда бытовые вещи, которые на экзамене превращаются в задания. Огурцы солят и варенье варят с большим количеством сахара не только для вкуса: гипертонический раствор вытягивает воду из бактерий и плесени, и они гибнут — это консервация. Улитка или слизень погибает, если посыпать его солью, по той же причине. А если полить огород слишком концентрированным раствором удобрений, растения завянут не от недостатка воды в почве, а от избытка солей: почвенный раствор станет гипертоническим, и корень начнёт терять воду вместо того, чтобы её всасывать.

Осмос долго считали свойством живых плёнок: раз вода идёт в клетку сама, значит, её «втягивает жизнь». Ботаник Вильгельм Пфеффер в 1877 году показал, что дело не в жизни. Он изготовил искусственную полупроницаемую перегородку — осадил в порах глиняного сосуда гексацианоферрат меди — и измерил, каким давлением надо давить на раствор сахара, чтобы вода перестала в него идти. Перегородка была мёртвой, а давление возникало.

Числа Пфеффера попали к физикохимику Якобу Вант-Гоффу, и в 1887 году он заметил странное: осмотическое давление раствора ведёт себя ровно так же, как давление газа. Удвоили концентрацию — удвоилось давление; нагрели — выросло. Растворённое вещество «давит» на мембрану так, будто оно газ, занимающий объём раствора. За эту работу Вант-Гофф получил в 1901 году первую в истории Нобелевскую премию по химии.

Что отсюда следует для клетки. Осмотическое давление зависит не от того, что растворено, а от числа частиц. Поэтому поваренная соль, распадающаяся на два иона, «тянет» воду вдвое сильнее, чем столько же молекул сахара. И поэтому физиологический раствор — это именно 0,9 % NaCl: такая концентрация даёт то же число частиц, что и плазма крови. Раствор послабее — и эритроциты наберут воду и лопнут (гемолиз); покрепче — и они сморщатся. Капельница с чистой водой убила бы человека не «разбавлением крови», а разрывом клеток.

В растительной клетке всё то же самое, но с поправкой на клеточную стенку: она не даёт клетке лопнуть, и набранная вода создаёт тургор — внутреннее давление, которым лист держит форму. Потерял воду — стенка обмякла, растение завяло. Положил клетку в крепкий раствор — протопласт отойдёт от стенки (плазмолиз), верни в воду — вернётся назад (деплазмолиз). Этот опыт с кожицей лука ставят на уроках, и его же любят описывать в заданиях.

В науке о воде есть поучительный провал, и его стоит знать: он показывает, чем проверенное знание отличается от красивой гипотезы.

В 1961 году советский химик Николай Федякин конденсировал водяной пар в тончайших кварцевых капиллярах и получил жидкость со странными свойствами: она была плотнее обычной воды, густела как сироп, не замерзала при обычной температуре замерзания. Работу подхватил авторитетный коллоид-химик Борис Дерягин, лаборатории по всему миру бросились воспроизводить опыт, вещество назвали «аномальной водой», потом «поливодой» и объяснили тем, что молекулы воды якобы сшиваются в полимер.

Дальше началась паника: если поливода устойчивее обычной, не превратит ли случайно вылитая капля всю воду на Земле в сироп? Об этом всерьёз писали в журналах.

Развязка оказалась будничной. Количества вещества были микроскопическими — капилляр даёт ничтожные объёмы, — и спектральный анализ показал в «поливоде» примеси: кремний из стенок капилляра, натрий, органику. Никакого полимера не было, была грязная вода. В 1973 году Дерягин сам опубликовал опровержение собственной работы.

Чему это учит перед экзаменом. Во-первых, содержательно: аномалии воды объясняются водородными связями, а не полимеризацией, и никакой «второй воды» не существует. Во-вторых, методически: результат, полученный на микрограммах и не воспроизведённый в чистом опыте, — ещё не факт. Именно так и работает наука: не тем, что не ошибается, а тем, что находит и признаёт свои ошибки.

Массовая доля минеральных веществ в клетке невелика — обычно 1–1,5 %, но именно здесь спрятана половина заданий линий 6 и 7.

Макроэлементы — те, чья доля выше 0,01 %. Первую четвёрку — кислород, углерод, водород, азот — называют органогенными: на них приходится около 98 % массы клетки, потому что из них построены все органические молекулы. Дальше идут кальций, калий, натрий, магний, фосфор, сера, хлор. Микроэлементы (железо, йод, цинк, медь, марганец, кобальт, фтор) занимают тысячные доли процента, а ультрамикроэлементы — ещё меньше. Малая доля не значит малая важность: микроэлемент обычно входит в активный центр фермента или в молекулу гормона, где одного атома достаточно на всю молекулу.

Каждый элемент стоит запоминать не сам по себе, а вместе с молекулой, в которой он работает, — на экзамене спрашивают именно связку:

— железо — в геме гемоглобина, переносит кислород; нехватка даёт железодефицитную анемию; — йод — в гормонах щитовидной железы (тироксин); нехватка ведёт к эндемическому зобу, поэтому соль йодируют; — магний — в центре молекулы хлорофилла; без него нет фотосинтеза; — кальций — в костях и зубах, в свёртывании крови, в запуске сокращения мышцы; — фосфор — в АТФ, ДНК, РНК, фосфолипидах, костной ткани; — сера — в аминокислотах цистеине и метионине, а значит, в дисульфидных мостиках белка; — азот — в аминокислотах, белках, нуклеотидах, хлорофилле; — цинк — в ферментах и в молекуле инсулина; — фтор — в эмали зуба: его нехватка ведёт к кариесу, избыток — к флюорозу.

Отдельная история — калий и натрий. Внутри клетки много K⁺ и мало Na⁺, снаружи наоборот. Эта разница не случайна: её непрерывно поддерживает натрий-калиевый насос — белок мембраны, который за счёт энергии одной молекулы АТФ выбрасывает наружу три иона Na⁺ и заводит внутрь два иона K⁺. Из-за неравного обмена внутренняя сторона мембраны заряжается отрицательно относительно наружной. Так возникает мембранный потенциал покоя, а на нём держится вся работа нервной и мышечной ткани. Когда говорят, что нервный импульс идёт по нерву, физически это перемещающаяся волна перезарядки мембраны ионами натрия и калия.

Фраза «ионы поддерживают осмотическое давление и входят в состав веществ» верна, но она не объясняет главного: почему состав ионов внутри клетки резко отличается от состава снаружи. В цитоплазме много K⁺ и мало Na⁺, в межклеточной жидкости наоборот. Разность огромная и держится всю жизнь клетки, хотя оба иона свободно диффундировали бы к равновесию.

Поддерживает её натрий-калиевый насос — белок в мембране, который работает против градиента и потому тратит АТФ. Цикл его строгий: за один разложенный АТФ насос выбрасывает три иона Na⁺ наружу и заводит два иона K⁺ внутрь. Обратите внимание на асимметрию: наружу уходит на один положительный заряд больше, чем входит. Поэтому насос не просто сортирует ионы, а делает внутреннюю сторону мембраны отрицательной. Так возникает мембранный потенциал покоя — около −70 мВ у нервной клетки, — и на нём держатся и нервный импульс, и сокращение мышцы.

Цена работы велика: на этот единственный насос покоящаяся клетка тратит заметную долю всей своей энергии, а нервная ткань — и вовсе значительную её часть. Отсюда прямое следствие, которое любят спрашивать: как только производство АТФ останавливается, насос встаёт, натрий заходит внутрь, за ним по осмосу идёт вода — и клетка набухает и гибнет. Именно поэтому яды, блокирующие дыхание (цианид), убивают быстро: они не «разрушают клетку», они просто перекрывают АТФ.

Второй пример, где важна разность, а не наличие: кальций. Внутри клетки его в тысячи раз меньше, чем снаружи и чем в цистернах эндоплазматической сети. Такая пропасть нужна для сигнала: стоит открыть кальциевые каналы, как ионы лавиной входят в цитоплазму, и клетка мгновенно узнаёт команду — мышца сокращается, нервное окончание выбрасывает медиатор. Сигналом служит не само вещество, а резкий перепад его концентрации; держать этот перепад — постоянная работа насосов.

И третий случай — ионы, встроенные в молекулы: железо в геме гемоглобина (без него кислород не с чем связывать), магний в центре молекулы хлорофилла (без него не будет фотосинтеза), йод в тироксине, кобальт в витамине B₁₂, цинк в десятках ферментов. Здесь суточная потребность измеряется миллиграммами и микрограммами, но нехватка бьёт по целому организму: дефицит железа даёт анемию, дефицит йода — нарушение работы щитовидной железы. Вот почему «доли процента» в таблице состава клетки — это не погрешность округления.

Большинство ферментов работает в узком коридоре кислотности. У крови человека этот коридор — pH 7,35–7,45, то есть чуть выше нейтрального. Сдвиг на пару десятых уже опасен для жизни. Между тем клетка непрерывно производит кислоты: углекислый газ в воде даёт угольную кислоту, работающая мышца выбрасывает молочную. Почему же кислотность держится?

Потому что соли создают буферные системы — смеси слабой кислоты и её соли, которые связывают избыток и кислоты, и щёлочи. Главная в крови — гидрокарбонатная (H₂CO₃ и HCO₃⁻), главная внутри клетки — фосфатная (H₂PO₄⁻ и HPO₄²⁻). Механизм наглядный: попал в кровь лишний ион H⁺ — его перехватывает гидрокарбонат-ион и превращается в слабую угольную кислоту; попала щёлочь — её нейтрализует угольная кислота. В обоих случаях свободных ионов H⁺ остаётся столько же, сколько было, и pH почти не двигается. Дополнительно буферят кровь белки: у них есть и кислотные, и основные группы, поэтому белок принимает удар с любой стороны.

Вторая работа солей — осмотическое давление. Постоянная концентрация ионов удерживает воду там, где она нужна, и не даёт клеткам ни разбухать, ни сохнуть. Именно поэтому потеря солей с потом опаснее потери воды: пить в жару нужно не дистиллированную воду, а слегка подсоленную, иначе кровь разбавляется и вода уходит в ткани.

Третья работа — строительная: карбонат кальция в раковинах моллюсков и скелетах кораллов, фосфат кальция в костях и зубах, кремнезём в стенках диатомовых водорослей и в стебле хвоща.