§ 2. Хімічныя злучэнні ў жывых арганізмах. Неарганічныя рэчывы

У састаў жывых арганізмаў уваходзяць разнастайныя хімічныя злучэнні, утвораныя атамамі розных элементаў. Ключавую ролю ў ажыццяўленні працэсаў жыццядзейнасці адыгрываюць арганічныя рэчывы — бялкі, вугляводы, ліпіды, нуклеінавыя кіслоты і інш., якія ў нежывой прыродзе практычна не сустракаюцца. Аднак не ўсе злучэнні, уласцівыя арганізмам, спецыфічныя толькі для жывой прыроды. Такія неарганічныя рэчывы, як вада, неарганічныя (мінеральныя) солі і кіслоты, шырока распаўсюджаны і ў нежывой прыродзе. 

Вада. У колькасных адносінах першае месца сярод рэчываў, якія ўваходзяць у састаў жывых арганізмаў, займае вада. Яе масавая доля ў арганізмах у сярэднім складае 65—80 %. Колькасць вады неаднолькавая ў розных тканках і органах. Так, у сакавітых пладах раслін можа змяшчацца да 98 % вады, а ў зярняўках злакаў, насенні сланечніку, лёну, бабовых яе масавая доля складае 7—14 %. Плазма крыві, лімфа, тканкавая вадкасць, сакрэты большасці залоз жывёл больш чым на 90 % складаюцца з вады. У шкілетных мышцах чалавека масавая доля вады складае каля 76 %, а ў тлушчавай тканцы — прыблізна 30 %. З узростам утрыманне вады ў арганізме паступова зніжаецца.

З курса хіміі вы ведаеце, што ў малекуле вады (Н₂О) два атамы вадароду злучаны з атамам кіслароду кавалентнымі палярнымі сувязямі. Сувязі Н—О—Н размешчаны пад вуглом 104,5° адна да адной. Кісларод валодае большай электраадмоўнасцю, чым вадарод, таму атам кіслароду прыцягвае да сябе агульныя электронныя пары і набывае частковы адмоўны зарад. Атамы вадароду набываюць частковы дадатны зарад, г. зн. малекула вады з’яўляецца палярнай (мал.  2.1).

Паміж атамам кіслароду адной малекулы вады і атамам вадароду другой малекулы ўзнікае электрастатычнае прыцягненне. Такое ўзаемадзеянне, больш слабае, чым іонная сувязь, называецца вадароднай сувяззю. Кожная малекула вады прыцягвае да сябе за кошт утварэння вадародных сувязей яшчэ чатыры малекулы (мал. 2.2).

Такім чынам, малекулы вады звязаны адна з адной. Таму вада пры тэмпературах ад 0 °С да 100 °С можа захоўваць вадкі агрэгатны стан, у той час як падобныя ёй вадародныя злучэнні (напрыклад, H₂S, NH₃, HF) з’яўляюцца газамі.

Роля вады ў жывых арганізмах звязана з яе ўласцівасцямі, перш за ўсё з малымі памерамі малекул, іх палярнасцю і здольнасцю ўтвараць вадародныя сувязі паміж сабой і з іншымі злучэннямі.

Дзякуючы палярнасці малекулы вады здольныя фарміраваць так званыя гідратныя абалонкі вакол іонаў і палярных малекул. Гэта спрыяе адасабленню часціц і перашкаджае іх склейванню адна з адной, што асабліва важна, напрыклад, для бялковых малекул.

Палярнасць малекул і здольнасць утвараць вадародныя сувязі робіць ваду ўніверсальным растваральнікам для палярных рэчываў, лепшым, чым большасць вадкасцей. У залежнасці ад ступені ўзаемадзеяння з малекуламі вады злучэнні дзеляць на гідрафільныя і гідрафобныя. Гідра­фільнымі з’яўляюцца палярныя рэчывы, якія актыўна ўзаемадзейнічаюць з малекуламі вады за кошт утварэння шматлікіх вадародных сувязей, што і абумоўлівае іх добрую растваральнасць (мал. 2.3, а). Да гідрафільных злучэнняў належаць ніжэйшыя спірты і карбонавыя кіслоты, мона­цукрыды, дыцукрыды і інш. Непалярныя рэчывы з’яўляюцца гідрафобнымі, яны не фарміруюць вадародных сувязей з малекуламі вады і не раствараюцца ў ёй (мал. 2.3, б). Гэта вышэйшыя карбонавыя кіслоты, тлушчы і некаторыя іншыя злучэнні.

Растварэнне рэчываў спрыяе павышэнню іх рэакцыйнай здольнасці, бо малекулы ці іоны атрымліваюць магчымасць больш свабодна перамяшчацца і ўзаемадзейнічаць адна з адной. Большасць хімічных рэакцый у жывых арганізмах працякае менавіта ў водных растворах. Такім чынам, у якасці растваральніка вада з’яўляецца асноўным асяроддзем працякання працэсаў абмену рэчываў — метабалізму. Акрамя таго, вада служыць сродкам транспарту раствораных у ёй рэчываў. Гэту функцыю яна выконвае, напрыклад, у саставе крыві, лімфы, тканкавай вадкасці, мачы і сакрэтаў залоз жывёл, у праводзячых тканках раслін.

Вада з’яўляецца ўдзельнікам многіх біяхімічных працэсаў, напрыклад фотасінтэзу. Кісларод, які вылучаецца ў ходзе фотасінтэзу, утвараецца пры расшчапленні малекул вады. Працэсы расшчаплення складаных арганічных рэчываў (бялкоў, поліцукрыдаў, ліпідаў і інш.) да больш простых злучэнняў з’яўляюцца рэакцыямі гідролізу, г. зн. працякаюць пры непасрэдным удзеле вады.

Вада практычна несціскальная, што важна для падтрымання пругкасці клетак і тканак. Яна вызначае аб’ём клетак і тургарны ціск — ціск унутранага змесціва клеткі на яе абалонку. Несціскальнасць вады дазваляе ёй выконваць функцыю гідрашкілета ў круглых і кольчатых чарвей. 

Добрыя змазвальныя ўласцівасці вады спрыяюць памяншэнню трэння ў розных частках арганізма (успомніце ролю вадкасцей, якія змяш­чаюцца ў плеўральнай поласці, калясардэчнай сумцы, поласцях сустаўных сумак чалавека).

*Кожная малекула вадкасці адначасова прыцягваецца да ўсіх малекул вакол яе. Пры гэтым сілы прыцяжэння, процілеглыя па напрамку, узаемна ўраўнаважваюць (кампенсуюць) адна адну. Паверхневы слой вадкасці валодае асаблівымі ўласцівасцямі, паколькі яго малекулы не маюць «суседзяў» звонку і прыцягваюцца толькі адна да адной і да малекул, што знаходзяцца ўнутры вадкасці. З прычыны гэтага на паверхні ўтвараецца так званая плеўка паверхневага нацяжэння. З усіх вадкасцей, акрамя ртуці, вада валодае самым высокім паверхневым нацяжэннем.

Паверхневае нацяжэнне вады вызначае форму клетак, іх здольнасць захопліваць цвёрдыя часцінкі і кроплі вадкасці. Дробныя арганізмы, напрыклад вадамеры, лічынкі камароў, выкарыстоўваюць плеўку паверхневага нацяжэннем вады для перамяшчэння ці прымацавання да яе, а некаторыя водныя і прыбярэжныя расліны — для распаўсюджвання пылку і насення.

Акрамя таго, паверхневае нацяжэнне вады, а таксама яе здольнасць узаемадзейнічаць з іншымі рэчывамі (напрыклад, за кошт фарміравання вадародных сувязей), абумоўлівае ўласцівасць капілярнасці — здольнасці падымацца ці апускацца па вузкіх каналах (капілярах) і праходзіць праз поры (мал. 2.4). Капілярнасць адыгрывае важную ролю ў падыманні раствораў па сасудах і трахеідах раслін, руху крыві, лімфы і іншых вадкасцей па сістэме дробных сасудаў у арганізме жывёл.

Вада валодае высокой цеплаёмістасцю. Гэта значыць, што пры паглынанні ці вылучэнні вялікай колькасці цеплаты тэмпература самой вады змяняецца нязначна. Таму нават рэзкія тэмпературныя ваганні ў навакольным асяроддзі не прыводзяць да істотнага змянення тэмпературы ўнутры арганізма.

Пры пераходзе вадкай вады ў стан пары адбываецца разбурэнне ўсіх вадародных сувязей паміж яе малекуламі, а гэта патрабуе значных выдаткаў энергіі. Таму выпарэнне вады суправаджаецца ахаладжэннем і выкарыстоўваецца жывымі арганізмамі для аховы ад перагрэву (потавы­дзяленне ў млекакормячых, транспірацыя ў раслін).

Вада мае адносна высокую для вадкасцей цеплаправоднасць. Рух вады (цыркуляцыя крыві ў жывёл, узыходны і сыходны ток раствораў у раслін і г. д.) у спалучэнні з высокай цеплаправоднасцю спрыяе раўнамернаму размеркаванню цеплаты ў арганізме.

Найважнейшыя біялагічныя функцыі вады паказаны ў табліцы 2.1.

Табліца 2.1. Асноўныя функцыі вады ў жывых арганізмах

Неарганічныя (мінеральныя) солі і кіслоты, як і вада, уваходзяць у састаў усіх жывых арганізмаў. Іх агульнае ўтрыманне ў арганізмах параўнальна невялікае і звычайна не перавышае 1—1,5 %, аднак гэтыя рэчывы выконваюць важныя біялагічныя функцыі.

Нерастваральныя солі прымаюць удзел у пабудове розных апорных структур жывых арганізмаў, забяспечваючы іх трываласць. Напрыклад, карбанат кальцыю (CaCO₃) з’яўляецца важным кампанентам ракавін малюскаў, панцыраў ракападобных, шкарлупін яек, шкілетаў каралавых паліпаў і інш. Фасфаты кальцыю складаюць аснову міжклетачнага рэчыва касцявой тканкі пазваночных жывёл. Цвёрдасць зубной эмалі абумоўлена наяўнасцю мінеральных солей, у састаў якіх уваходзіць кальцый, магній, фосфар і фтор. Шкілет некаторых пратыстаў утвораны сульфатам стронцыю (SrSО₄).

Растваральныя солі пры ўзаемадзеянні з вадой дысацыіруюць, таму ў жывых арганізмах яны змяшчаюцца ў выглядзе іонаў. Утрыманне пэўных катыёнаў і аніёнаў унутры клетак, як правіла, значна адрозніваецца ад іх канцэнтрацыі ў пазаклетачным асяроддзі. Так, у клетках назіраецца дастаткова высокая канцэнтрацыя катыёнаў калію (K⁺) і нізкая — натрыю (Na⁺), а ў пазаклетачным асяроддзі — наадварот. Прычым утрыманне К⁺ у клетках і Na⁺ за іх межамі неаднолькавае. Гэта прыво­дзіць да ўзнікнення рознасці электрычных патэнцыялаў паміж унутраным і знешнім бакамі цытаплазматычнай мембраны, што неабходна для ўзбуджэння клетак, генерацыі і перадачы нервовых імпульсаў.

Некаторыя іоны ўваходзяць у састаў ферментаў, вітамінаў і іншых біялагічна актыўных рэчываў. Напрыклад, іон Co⁺ — структурны элемент вітаміну В₁₂, Mg²⁺ — хларафілу, Fe²⁺ уваходзіць у састаў гемаглабіну і г. д. Катыёны Са²⁺ і Mg²⁺ уплываюць на актыўнасць шэрага ферментаў і, значыць, адыгрываюць важную ролю ў рэгуляцыі абмена рэчываў.

Іоны  і   з’яўляюцца крыніцамі атамаў азоту, іон   — атамаў серы, якія неабходны аўтатрофным арганізмам для сінтэзу амінакіслот.

* Акрамя таго, сульфат-іоны важныя для абясшкоджвання таксічных рэчываў у арганізме чалавека і жывёл. Далучаючыся да малекул гэтых рэчываў, іоны   павялічваюць іх растваральнасць у вадзе, спрыяючы тым самым вывядзенню з арганізма.*

Неарганічныя кіслоты таксама адыгрываюць важную біялагічную ролю. Напрыклад, саляная кіслата (HCl), якая ўваходзіць у састаў страўнікавага соку пазваночных жывёл, стварае ў страўніку кіслае асяроддзе. Гэта спрыяе знішчэнню хваробатворных мікраарганізмаў і актывацыі ферментаў страўнікавага соку. Астаткі фосфарнай кіслаты ўваходзяць у састаў фосфаліпідаў, нуклеатыдаў, АТФ. Фосфарная і вугальная кіслоты, а таксама аніёны гэтых кіслот удзельнічаюць у падтрыманні пэўнай кіслотнасці ўнутры клетак і ў пазаклетачным асяроддзі.

Кіслотнасць асяроддзя. Магчымасць працякання біяхімічных рэакцый, іх хуткасць і вынік шмат у чым залежаць ад кіслотнасці асяроддзя, г. зн. ад канцэнтрацыі іонаў вадароду (H⁺). Колькасна гэту велічыню выражаюць пры дапамозе вадароднаго паказчыка рН (пэ-аш).

У водных растворах велічыня рН звычайна прымае значэнні ад 0 да 14. Нейтральнае асяроддзе характарызуецца значэннем рН = 7, у шчолачным асяроддзі рН больш за 7, у кіслым — менш за 7. Чым больш велічыня рН адрозніваецца ад 7, тым больш кіслым або шчолачным з’яўляецца раствор.

У цытаплазме клетак, як правіла, падтрымліваецца нейтральнае або слабашчолачнае асяроддзе (pH = 7,0—7,4). Па-за клеткамі асяроддзе звычайна слабашчолачнае. Напрыклад, у плазме крыві чалавека велічыня pH у норме складае 7,36—7,44. Аднак у розных частках арганізма, у розных біялагічных вадкасцях гэты паказчык можа моцна вар’іраваць.

*Буферныя сістэмы. Многія біяхімічныя працэсы, што працякаюць у клетках і пазаклетачным асяроддзі, суправаджаюцца вызваленнем або, наадварот, звязваннем іонаў вадароду (Н⁺). Аднак жывыя арганізмы валодаюць здольнасцю падтрымліваць кіслотнасць асяроддзя на пэўным узроўні дзякуючы існаванню так званых буферных сістэм.

У падтрыманні слабашчолачнай рэакцыі пазаклетачнага асяроддзя ўдзельнічае бікарбанатная буферная сістэма, утвораная вугальнай кіслатой (Н₂СО₃) і гідракарбанат-іонам (). Вугальная кіслата — слабы электраліт, таму ў растворы толькі частка яе малекул дысацыіравана і назіраецца раўнавага:

.

Калі па якой-небудзь прычыне канцэнтрацыя іонаў H⁺ у растворы павялічваецца (асяроддзе робіцца больш кіслым), аніёны   звязваюць іх:

.

Калі кіслотнасць асяроддзя зніжаецца, малекулы вугальнай кіслаты дысацыіруюць, вызваляючы дадатковыя іоны вадароду:

.

Так у растворы захоўваецца адносна пастаянная канцэнтрацыя іонаў H⁺. Падобным чынам аніёны фосфарнай кіслаты   і , якія складаюць фасфатную буферную сістэму, падтрымваюць нейтральнае ці слабашчолачнае асяроддзе ўнутры клетак (мал. 2.5).

Такім чынам, буферныя сістэмы адыгрываюць найважнейшую ролю ў забеспячэнні кіслотна-шчолачнай раўнавагі арганізма.*

Самаробны pH-індыкатар

Каб вызначыць кіслотнасць асяроддзя, неабавязкова выкарыстоўваць індыкатары з хімічнай лабараторыі. Вы можаце зрабіць свой уласны рН-індыкатар.

Добрым прыродным індыкатарам з’яўляецца, напрыклад, сок чырвонакачановай капусты. Яго натуральная сіне-фіялетавая афарбоўка (у нейтральным асяроддзі) змяняецца ў залежнасці ад рН наступным чынам:

Здрабніце лісты чырвонакачановай капусты і адцадзіце сок. З яго дапамогай можна вызначыць велічыню вадароднага паказчыка розных раствораў.

Падобнымі ўласцівасцямі таксама валодае сок некаторых іншых раслін, напрыклад бурака, вішні, чарніц, вінаграду цёмных сартоў, чорных парэчак, граната, ажын (пры выкарыстанні гэтых сокаў магчыма праяўленне іншых колеравых адценняў). Калі прамачыць атрыманым сокам паперу (лепш за ўсё — фільтравальную), атрымаюцца зручныя для выкарыстання індыкатарныя паперкі.

Паспрабуйце з дапамогай атрыманага індыкатара вызначыць  рН:
– малака;
– чаю;
– воцату;
– нашатырнага спірту;
– сокаў (яблычнага, лімоннага, апельсінавага і інш.);
– мінеральных вод;
– газіраваных напіткаў;
– раствораў соды, мыла, пральнага парашку і г. д.

● Якія рэчывы, што змяшчаюцца ў соку чырвонакачановай капусты і іншых раслін, з’яўляюцца прыроднымі рН-індыкатарамі? Выкарыстайце дадатковую літаратуру ці інтэрнэт-рэсурсы.

● Якімі ўласцівасцямі валодаюць гэтыя рэчывы?

● Якія даследаваныя вамі харчовыя прадукты маюць рН, набліжаны да фізіялагічных значэнняў унутрыклетачнага і пазаклетачнага асяроддзя арганізма?

● Каб палепшыць колер баршчу, у яго дабаўляюць крыху воцату ці лімоннага соку. На чым заснаваны гэты спосаб?