Я хочу объяснить уважаемому читателю, почему прервал обсуждение механизмов старения и вдруг стал обсуждать физико-химические свойства молекул. Дело в том, что по высшему образованию я врач. Врачом я проработал недолго и стал научным работником. Вместе со своими друзьями-коллегами мы изучали кинетику ферментов, молекулярную биологию и были у самых истоков «митчелловской эры». Через 15 лет я стал заведовать лабораторией клинической биохимии и был весьма впечатлен полным отсутствием понимания врачами основ обмена веществ и механизмов патогенеза системных болезней (кроме инфекций). Еще через пару десятков лет (после развала СССР) я оказался в «самой продвинутой» стране — США, где мне пришлось работать в нескольких «крутых» университетах и лабораториях. И что же я увидел? Да, в США много выдающихся ученых, но уже тогда (в начале 1990-х гг.) в среднем и младшем звеньях работало много иностранцев, которые не отличались хорошим образованием, а те немногие американцы, которые еще «делали» науку, поразили меня узостью специализации и мышления. И это было типично даже для самых продвинутых и богатых лабораторий (например, у профессоров Т. Greenamyer и D.C. Wallace в университете Эмори в Атланте).
Последние открытия в науке приводят к тому, что в данный момент нам нужно отказываться от многих давно устоявшихся представлений. Особенно это касается законов классической термодинамики и вытекающих последствий для кинетики ферментных реакций, устоявшихся представлений об окислительном стрессе: оказалось, что большинство радикалов кислорода не имеет или имеет отношение к окислительному стрессу в отдельных тканях, например эпителии сосудов, старению и мутациям мтДНК. Необходимость изменения мышления и экспериментальных подходов особенно ощущается, когда стало понятно, что митохондрии (вернее, их дисфункции) принимают участие в патогенезе практически всех основных заболеваний человека, а также в процессах старения. При этом в основе многих механизмов лежат именно физико-химические свойства воды, ионов и такие свойства молекул, как полярность, гидрофобность, а также разные типы взаимодействия между молекулами.
Чтобы понимать, что происходит в нашем организме, почему и как мы стареем и болеем, нужно знать и понимать универсальные механизмы, которые лежат в основе жизни и метаболических процессов. Многое мы изучали в школе, институте, но эти знания забылись, поскольку мы не понимали в то время их прикладное значение. Именно поэтому я решил напомнить те факты и явления, которые нам помогут лучше понимать, что происходит в нашем организме.
Вода. Свойства Н2О
На нашей планете большинство высших организмов на 55–78% от своей массы состоят из воды. Именно свойства воды лежат в основе многих важных для жизни процессов. Необходимо знать и понимать эти свойства, тогда будет легче понять условия внутри клеток и органелл, свойства мембран и специфических белков-переносчиков, поведение ионов и многое другое. Вода является прекрасным примером того, как информация, первично заложенная в структуре молекулы воды, обеспечивает многие явления в живых организмах, без которых сам феномен жизни был бы невозможен.
В стандартных условиях (температура +25 °С, атмосферное давление на уровне моря, и ничего не беспокоит) вода является одним из наиболее распространенных соединений на Земле и существует в 3 формах: жидкой, твердой (лед) и газообразной (пар). При комнатной температуре (+25 °С) она бесцветна (с намеком на голубизну), без вкуса и запаха. Поскольку вода является универсальным растворителем для многих веществ, то в природе она в чистом виде почти не встречается, хотя существуют соединения, плохо или почти не растворимые в воде.
В соответствии с правилами химической номенклатуры систематическое название воды — dihydrogen monoxide, или монооксид молекулярного водорода, Н2О.
Как видно на рис. 2.1, кислород притягивает электроны сильнее, чем водород, поэтому на атомах водорода возникает положительный заряд, а на кислороде — отрицательный, вследствие относительного «избытка» электронов, т.е. вода является диполем. Электрическое притяжение между диполями воды приводит к упорядоченности молекул, поэтому вода имеет значительно более высокую, чем расчетная, температуру кипения, являясь практически несжимаемой. На этом основано устройство разного рода гидравлических приводов и прессов. Несжимаемость воды важна и для биологических объектов. Сила притяжения между водородом (+) и кислородом (-) соседствующих молекул воды называется водородной связью.
&hide_Cookie=yes)
Рис 2.1. Модель образования водородных связей между молекулами воды
Сила водородных связей невелика, поэтому структура воды постоянно меняется, и с повышением температуры все больше и больше водородных связей рвется. При температуре кипения молекулы воды отрываются с поверхности и становятся паром, при остывании соединяются в мельчайшие капельки и называются туманом.
Максимальная плотность воды достигается при температуре +4 °С. При дальнейшем понижении температуры водородные связи становятся более стабильными, вода структурируется, а при 0 °С ее структура стабилизируется, вода становится льдом. Из-за структурирования воды ее объем слегка увеличивается, поэтому лед плавает в окружающей жидкой воде. 1 м3 воды при температуре 0 °С весит 999,835 кг, а лед при –10 °С — 998,117 кг, т.е. лед из 1 м3 пресной воды на 1,718 кг легче. Если человек находится на льдине, то для его удержания на плаву льдина должна иметь объем минимум 40 м3.
Другое важное свойство воды в структурированной форме, т.е. в фазе льда, состоит в том, что подвижность протонов, по сравнению с жидкой водой, увеличивается в 1000 раз. Это имеет огромное значение в клеточных структурах, например: вокруг заряженных участков поверхности мембран, больших белковых молекул и внутри белковых каналов, где вода становится структурированной в результате ориентации диполей воды около зарядов на поверхности мембран или белков.
Молекулы воды могут диссоциировать с образованием иона гидрония (hydronium) (Н3О+) и иона гидроксида (hydroxide) (ОН-): 2H2O ⇄ H3O+ + OH−. Благодаря этому вода — амфотерное вещество, поскольку способна вести себя и как кислота, и как щелочь. рН чистой воды (конденсированный дистиллят) 6,81, т.е. слабокислый, но при этом полностью отсутствует буферная емкость — способность удерживать рН раствора при добавлении щелочи или кислоты. Однако диссоциация отдельной молекулы воды происходит редко, примерно раз в 24 ч. При разбавлении водой буферных растворов рН растворов не меняется, меняется только буферная емкость. При контакте воды с атмосферным воздухом часть углекислого газа растворяется в ней и образует угольную кислоту: СО2 + Н2О ⟷ Н2СО3 ⟷ НСО3– + Н+.