Слесарев В.И. - Химия. Основы химии живого. 2000 (учебник для вузов)

Рис. 7.1. Схема водно-электролитного баланса организма человека

В течение суток в организм человека поступает с питьем около 1,2 л воды, с пищей - примерно 1 л, около 300 мл воды образуется при окислении метаболитов. При нормальном водном балансе у здорового человека столько же воды (около 2,5 л) выде­ ляется из организма: почками (1-1,5 л), с калом (50-200 мл), по­ средством испарения кожей (0,5-1 л) и легкими (около 400 мл). Вся вода организма обновляется примерно через месяц, а вода внеклеточной жидкости - за неделю. Это свидетельствует о боль­ шой интенсивности протекающих обменных процессов. Система регуляции водного баланса обеспечивает два основных гомеоста­ тических процесса: во-первых, поддержание постоянства общего объема жидкости в организме и, во-вторых, оптимальное распре­ деление воды между указанными водными системами.

В организме большая часть молекул воды находится в свя­ занном состоянии за счет гидратации ионов, молекул органиче­ ских соединений и биополимеров, различных ассоциатов и ми­ целл (разд. 6.1). Кроме того, вода входит в состав различных клеточных органелл: рибосом, митохондрий, лизосом, меж- и внутриклеточных мембран. По мнению автора, именно вода участвует в качестве основного и самого динамичного компо­ нента в формировании жидкокристаллического состояния соот­ ветствующих биосубстратов и тем самым способствует созданию подвижных внутри- и межклеточных структур. Благодаря это­ му достигается характерная для живого тонкая упорядочен­ ность процессов в клетке и в организме в целом. Например, от насыщения водой рибосом зависит поддержание их структуры и способность осуществлять белковый синтез, от степени набу­

168

хания митохондрий - интенсивность протекающего в них про­ цесса окислительного фосфорилирования и т. п. По образному выражению А. Сент-Дьёрдьи, вода в организме является дина­ мичной “ матрицей жизни” .

Избыточное поступление и образование воды при неадек­ ватно малом ее выделении из организма приводит к накопле­ нию воды, этот сдвиг водного баланса называется гипергидра­ тацией. При гипергидратации вода накапливается в основном в интерстициальной (межклеточной) жидкости. При этом ее осмотическое давление становится ниже, чем внутри клеток, которые поглощают воду, набухают, и осмотическое давление в них тоже снижается.

Недостаточное поступление и образование воды или чрезмерно большое ее выделение из организма приводят к уменьшению содержания воды, прежде всего в интерстициальной жидкости, что называется дегидратацией и сопровождается высасыванием воды из клеток, пока их осмотическое давление не станет рав­ ным осмотическому давлению в межклеточном пространстве.

Большую роль в регуляции водного баланса играет баланс электролитов и полиэлектролитов (белков), которые обеспечива­ ют определенную величину осмотического и онкотического дав­ ления в биожидкостях, тем самым влияя на обмен молекулами воды между ними. Основные минеральные и органические ионы организма и их содержание в водных системах приведены в табл. 7.4. Лимфа по составу и содержанию минеральных ионов близка к плазме крови, но из-за повышенного содержания гид­ рокарбонат-иона НСО3 основность лимфы выше: pH = 8 ,4 -9 ,2 . Осмотическое давление лимфы близко к осмотическому давле­ нию плазмы крови, а онкотическое - существенно ниже из-за меньшей концентрации в ней белков (6 -14 ммоль/л).

Минеральные ионы поступают в организм с пищей и пить­ ем, а гидрокарбонат-анион НСО3 , органические ионы и белки в основном являются продуктами обмена веществ. Для поддер­ жания электролитного баланса и соответственно жизнедеятель­ ности организм в сутки должен в среднем получать (ммоль): ка­ тионов натрия - 400, катионов калия - 100, анионов хлора - 200, фосфат-анионов - 25, катионов кальция - 30, катионов маг­ ния - 10, органических анионов - 230 (табл. 7.4). В табл. 7.4 также указано, каким путем и в каком количестве эти ионы выделяются из организма.

Анализируя ионный состав биожидкостей человека (табл. 7.5), прежде всего необходимо обратить внимание на небольшое раз­ нообразие ионов и на то, что они содержат больше всего из ка­ тионов Na+ и К+, а из анионов - С1” и НРО|~ ^ Н2РО4 . При­ чем во внеклеточных жидкостях преобладают катионы Na+ и

организма в том, что в межклеточных жидкостях преобладают частицы с положительной гидратацией, а во внутриклеточной -

169

частицы с отрицательной гидратацией (разд. 6.1). Это, по мне­ нию автора, связано с тем, что внутри клетки вода гидратирует кроме указанных частиц еще и клеточные органеллы, что значи­ тельно повышает содержание структурированной воды внутри клетки. По-видимому, для нормального функционирования ор­ ганизма в биожидкостях должны поддерживаться определенные соотношения: "связанная" вода/"свободная" вода и "структури­ рованная" вода/"деструктурированная" вода, которые для внут­ риклеточной жидкости должны быть больше, чем для межкле­ точной, чтобы обеспечить тургор клетки. Указанные соотношения в биожидкостях поддерживаются в основном за счет определенно­ го соотношения в них частиц с положительной и отрицательной гидратацией. Кроме влияния на структуру водной среды в орга­ низме электролиты выполняют еще ряд функций.

Катионы натрия и анионы хлора поддерживают осмотиче­ ское давление внеклеточных жидкостей, а катионы калия и фосфат-анионы - внутриклеточной жидкости. Изменение уровня содержания этих ионов неизбежно влечет за собой сдвиг осмоти­ ческого давления в системе и в результате - объема жидкости в ней. Регуляция водного обмена в организме за счет концентра­ ции ионов в основном происходит на уровне интерстициальной жидкости, где изменяется содержание катионов Naf. Уменьше­ ние концентрации катионов Na+ в интерстициальной жидкости способствует перемещению воды в клетки, а увеличение их со­ держания вызывает выход воды из клеток.

Содержание белков в биожидкостях определяет онкотическое давление, которое в совокупности с гидростатическим и гидродинамическим давлением в системах регулирует перерас­ пределение воды между ними (разд. 6.4.2), обеспечивая поддер­ жание водного баланса.

170

Таблица 7,5

Водно-электролитный баланс биожидкостей в организме человека

(концентрация, ммоль/л; температура 37 °С)

Внутриклеточная жидкость -2 7 ,0 л (45 % массы тела) pH = 6,86

Межклеточная

(интерстициальная) жидкость-8 ,5 л (1 3 % массы тела) pH = 7,25

171

Кислота, отдавая протон, превращается в частицу, стремя­ щуюся его принять, которая называется сопряженным основа­ нием:

___А___________________ А_______

сопряженная кислотно-основная пара

Основание, присоединяя протон, превращается в частицу, стремящуюся его отдать, которая называется сопряженной ки­ слотой:

А_________А______

сопряженная кислотно-основная пара

Совокупность кислоты и ее сопряженного основания или ос­ нования и его сопряженной кислоты называются сопряженны­ ми кислотно-основными парами.

Сила кислоты определяется ее способностью отдавать про­ тон, т. е. сильная кислота - активный донор протона. Сила ки­ слот в водных растворах уменьшается в ряду:

н + > н с ю 4 > Hci > H2S0 4 > HNO3 > Н3РО4 > СН3С0 0 Н > н 2с о 3 > куз > HCN

сильные электролиты слабые электролиты

Уменьшение силы кислот

Сила основания определяется его способностью присоеди­ нять протон, т. е. сильное основание - активный акцептор про­ тона. Сила оснований в водных растворах, т. е. их сродство к протону, уменьшается в ряду:

ОН" >КОН>NaOH>ШН >Са(ОН)2>(Шз)2Ш >ШзШ 2>Ш 3>CsH^N >(д а ш 2

Уменьшение силы оснований

Сильные кислоты, легко отдавая протон, превращаются в сопряженные основания, которые плохо присоединяют протон. Поэтому диссоциация этих кислот протекает практически необ­ ратимо:

174

сопряженная кислотно-основная пара

Слабые кислоты, трудно отдавая протон, превращаются в со­ пряженные основания, которые активно принимают протон, что делает диссоциацию слабых кислот обратимым процессом, при­ чем равновесие смещено в сторону недиссоциированной формы:

сопряженная кислотно-основная пара

Аналогичным образом ведут себя сильные и слабые основания, превращаясь в результате реакции в соответствующие сопряжен­ ные кислоты, т. е. и в этих случаях также имеются сопряженные кислотно-основные пары:

Некоторые вещества способны выступать в одних реакциях в роли донора протона, отдавая его соединениям, у которых сродство к протону выше, а в других - в роли акцептора прото­ на, отнимая его у соединений с меньшим сродством к протону. Такие вещества называются амфолитами.

Амфолиты - молекулы или ионы, способные как отда­ вать, так и присоединять протон, а следовательно, вступать в реакции, характерные как для кислот, так и для оснований.

Амфолит проявляет свойства кислоты или основания в за­ висимости от того, с какими веществами он взаимодействует. Типичным амфолитом является вода, так как в результате ее электролитической диссоциации образуются одновременно силь­ ная кислота и сильное основание:

Кроме того, вода взаимодействует и с кислотами, выступая основанием, и с основаниями, проявляя свойства кислоты:

основание

кислота основание

175

Амфолитами являются гидроксиды некоторых металлов (Zn, Al, Pb, Sn, Сг):

Амфолитами являются гидроанионы многоосновных кислот, например НС03, НРО|" и H2POJ.

Амфолитами являются также соединения, молекулы которых содержат две различные кислотно-основные группы, например важные в биологическом отношении а-аминокислоты. Молекула а-аминокислоты в результате переноса протона от карбоксильной группы на аминогруппу превращается из таутомера*, не содержа­ щего заряженные группы, в таутомер, имеющий биполярно-ион­ ную (цвиттерионную) структуру. Таким образом, для а-аминокис- лот характерна прототропная таутомерия (разд. 2 1 .2 .1).

В кристаллическом состоянии и в водных растворах это рав­ новесие для а-аминокислот практически полностью смещено в сторону таутомера с биполярной структурой. Так, для глицина в водном растворе содержание таутомера с биполярно-ионной структурой в 223 000 раз больше, чем другого таутомера.

Вследствие этой особенности строения молекулы а-аминоки- слот проявляют кислотные свойства за счет аммонийной груп­ пы (—NH3), а основные - за счет ионизованной карбоксильной группы (—€ 0 0 “), выступая амфолитами:

Как и все амфолиты, а-аминокислоты являются слабыми электролитами.

Согласно протолитической теории кислоты, основания и ам­ фолиты являются протолитами, а процесс перехода протона от

176

кислоты к основанию называется протолизом и объясняется тем, что эти два вещества имеют разное сродство к протону. В кислот­ но-основном взаимодействии всегда участвуют две сопряженные кислотно-основные пары, и переход протона всегда происходит в сторону образования более слабых кислот, включая сопряжен­ ные. Если склонность к взаимодействию с протоном у реагентов соизмерима, то наблюдается протолитическое равновесие.

Протолитическое, или кислотно-основное, равновесие

устанавливается в результате конкуренции за протон (Н+) между основаниями взаимодействующих сопряжен­ ных кислотно-основных пар (НА, А" и ВН+, В). Прото­ литическое равновесие всегда смещается в сторону об­ разования более слабой кислоты:

Схематично протолитическое равновесие можно представить следующей схемой:

Переход протона всегда происходит от сильной кислоты к аниону слабой кислоты, что сопровождается вытеснением сла­ бой кислоты из ее соли под действием более сильной кислоты.

Протолитическое равновесие наблюдается при ионизации сла­ бых электролитов в воде (разд. 7.2). Так, ионизация слабой ки­ слоты в водных растворах является следствием конкуренции за протон между анионом слабой кислоты и водой, выступающей основанием, т. е. акцептором протона. Этот процесс является об­ ратимым и характеризуется константой равновесия Ка:

177