Живият организъм е съставен от твърди, течни и газообразни вещества. Твърдите вещества изграждат костната система, някои кожни образувания и други са представени в аморфен и рядко в микрокристален вид (костите). Течнитевещества са представни главно от циркулиращите среди на тялото (кръв, лимфа и други), телесните скокове (храносмилателни), екскрециите и прочие. Главният двигател на всички разтворени и суспензирани частици в тялото е водата, която представлява повече от половината от теглото му. Газообразните вещества са представени от кислород, въглеродния двуокис, азота и прочие. Едни от тях са свободни, а други са разтворени в течните среди.
Физико-химичните принципи в организма ще бъдат разгледани на основата на тези съставки на тялото.
Вода и разтвори
Водата като биогенна среда
От физико-химично гледище водата има редица предимства на разтворител, които я правят биологично незаменима. Тя се отличава с голяма специфична топлина - единица, - докато другите течности имат топлина под единица. Тя има също така и голяма латентна топлина на изпарението - 2251 джаула.
Голямата специфична и латентна топлина на изпарението улесняват извънредно много ирадиацията на прекомерно повишената телесна температура. Чрез изпарението на водата от повърхността на тялото се отнема значително количество топлина. Това предпазва животните от прегряване (при работа, топло и важно време и прочие).
Характерна за водата е нейната много добра топлопроводимост, благодарение на която температурата в центъра и в периферията на организма се изравнява лесно.
Едно то най-съществените свойства на водта като разтворител е нейната висока диелектрична константа. Диелектричната константа изразява изолирщата способност на средата - при по-висока диелектрична константа на разтворителя се намаля електростатичното привличане на йоните с противоположен товар, при което се повишава степента на дисоциация. Водата има диелектрична константа 80 и създава 2.5 пъти по-голямо съпротивление между привличащите се йони, отколкото етиловият алкохол, който има диелектрична константа 32. Или, с други думи - противоположно заредените частици на разтвореното вещество ще имат 2.5 пъти по-малко притегляне, когато за разтворени във вода, отколкото в етилов алкохол.
Кръвта има диелектрична константа 85.5, урината - 82.8, етиловият алкохол - 32, хлороформът 5, етерът - 4,39 и така нататък.
С високата диелектрична константа на водата се обяснява силната асоциация на електролитите в нея. Това е извънредно важно за минералната обмяна в организма.
Молекулата на водата е асиметрична: центровете на тежестта на електрическите товари не се покриват. Такива молекули се наричат диполни.
Между двата протона обаче съществуват и силни на електростатично отблъскване, в резултат на което молекулата на водата ще приеме ъглова форма.
Когато във водата има разтворен електролит, водните молекули се ориентират около йоните му с противоположния си електрически товар. Към катионите водните молекули се ориентират с отрицателния си полюс, а към анионите - с положителния.
Вследствие на полярния характер на водата йоните на електролита се подлагат на хидратация. Степента на хидратацията зависи от концентрацията на разтвора. Колкото концентрацията на солите е по-висока, толкова хидратацията е по-малка.
Ако веществото, което се разтваря, не се дисоциира напълно (CH3COOH и други), ориентирането към водата се извършва само по отношение на хидрофилния ("обичаш водата") радикал - COO - , а хидрофобният - CH2 - се насочва към другата фаза - въздуха.
Дисоциация на водата
Водата се отличава с незначителна електролитна дисоциация. Съгласно закона за действие на масите между недисоциираните молекули вода и водородните и хидроксилните йони съществува равновесие.
Дисоциацията на водата зависи от температурата - при 18 градуса по Целзий тя е по-малка, отколкото по 37 градуса по Целзий. При 22 градуса по Целзий pH (на чистата вода) = 7, а при кисела pH е по-ниско от 7.
Неутрални са също разтворите на NaCl - сол, получена между силната HCl и също така силната NaOH.
Колкото и слаба да е дисоциацията на водата, тя дава възможност на постъпилите в тялото соли на слаби киселини със силни основи да се хидролизират. Например CH3COONa, разтворен във водата, образува слабата CH3COOH и силната NAOH благодарение на дисоциацията на водата на H+ и OH-.
Образуването на макар и малко количество йони на водата в тялото има важно биохимично значение. Адсорбирането на H+ и OH- по повърхността на колоидите в организма създава условия да се влияе върху редица ферментни реакции, биоелектрични явления и прочие.
Биологичните течности - кръв, лимфа, тъканна течност и други - се отличават с постоянно pH 7.25 - 7.40. Въпреки многобройните фактори за нарушаване на постоянната реакция в организма, като телесната температура, осмотичното налягане и други, тя си остава постоянна. Постоянството на pH е една от най-важните характеристики на нормалния жив организъм.
Буфери и буферни системи
Името буфер е дадено за първи път от Сьоренсен. С него той е означил постоянството на разтворите по отношение на концентрацията на водородните йони. Буферните системи са разтвори, pH на които е почти константна величина, тоест колебае се в твърди тесни граници. Тези системи поддържат реакцията на средата постоянна въпреки прибавянето на киселина или основа. Те представляват разтвори, които съдържат слаба киселина в солта на същата киселина със силна основа.
Реакцията на буферната система се определя от отношението между концентрацията на слабата киселина и концентрацията на нейната сол и не зависи от техните индивидуални концентрации. Тази система запазва pH и при прибавянето на вода.
В организма съществуват няколко буферни системи, които задържат реакцията на постоянно ниво - pH = 7.4 . Тази слабо алкална реакция се поддържа както в телесните течности (кръв, лимфа, тъканна течност, гръбначномозъчна течност(, така и в тъканите.
Една от най-важните буферни системи в организма е неорганичната карбонатна буферна система, която се образува от въглена киселина и нейната алкална сол. Съотношението между киелината и солта трябва да бъде 1:20, за да се запази постоянството на реакцията.
Втората буферна система, която е с по-малко значение за организма поради малкото съдържание на фосфати, е фосфатната буферна система, която се образува между H2PO4 и HPO4. Съотношението между двата фосфата трябва да бъде 1:5.
Третата буферна система в организма е белтъчната буферна система, която играе важна роля в поддържането на постоянната реакция на кръвта, понеже тази роля се изпълнява от плазмените белтъчини.
Четвъртата буферна система е хемоглобинната буферна система. Поради присъствието на хромопротеида хемоглобин в еритроцитите хемоглобинната буферна система играе важна роля. Наред с нея, разбира се, в поддържането на константната реакция на кръвта, вземат участие и другите буферни системи - карбонатната, фосфатната и други.
В организма се образуват повече киселини, отколкото основи. Тази способност на организма е свързана с непрекъснатото образуване на продукти на обмяната, киселинни продукти при умората и така нататък. Към постоянно образуваните киселини в тялото принадлежат сярната, фосфорната, млечната, ацетоцетната и други. Известно е, че човешкият организъм произвежда за около 24 чса около 30 литра киселини.
ОТ друга страна, трябва да се има предвид и режима на хранене, защото в последните години в организма се внасят значителни количества органични и неорганични киселини. Промяната на постоянната реакция на организма към повишаване или понижаване води до нарушаване функциите на организма. Например ниското pH (Около 3) води до нарушаване на сърдечната дейност и перисталтиката на червата. Постоянното понижаване на pH води до системна загуба на алкалните резерви и деминерализиране на тялото.
Истински и колоидни разтвори
Още Thomas Graham (1861) раздели разтворите на истински (кристалоиди) и колоидни въз основа на способността им да преминават през полупропускливи животински мембрани. Истинските разтвори преминават през мембраната, а колоидните не преминават.
Беше установено, че итински са онези разтвори, чиито молекули или йони имат определен дуаметър под 1 mu, а колоидните - от 1 до 200 mu.
Всяко вещество може да съществува в колоидно състояние. Предполага е, че всяко разтворимо твърдо вещество, преди да стигне до истински разтвор, преминава през колоидно състояние, само че не всякога това е очевидно. Според Graham колоидното състояние е първично състояние на молекулите, а не специален вид на материята. Всъщност един кристалоиден разтвор може да премине в колоиден, ако се променят условията на разтварянето. Разтворът на дъвка (mastix) в спирт е молекулярно дисперсен. Във вода обаче дъвката образува колоиден разтвор.
При колоидните разтвори различаваме дисперсна среда и дисперсна фаза. Биохимията се интересува от онези колоидни системи, дисперсната среда на които е вода, а дисперсната фаза - твърдо вещество или течност.
Свойства на колоидните разтвори
Колоидите се отличават със сравнително по-големи частици ан дисперсната фаза, недифузибилност през полупропускливи мембрани, неспособност към кристализиране, опалесценция и прочие.
Колоидните разтвори са познати в две състояния: зол и гел. Състоянието на зол се характеризира с пълно разпределение на дисперсната фаза в дисперсната среда. Протоплазмата на клетката представлява колоид в състояние на зол. Тя е функциониращ колоид. Високата дисперсност на едно вещество в колоидния разтвор характеризира повишени жизнени явления, бързо протичане на реакциите и така нататък. Нормалната функция на клетката е свързана с така наречения еуколоидитет (Schade). С него се означава обикновено най-благоприятната форма на съществуване на функциониращия клетъчен колоид.
Гелът представлява такава форма на колоидния разтвор, която се характеризирас известно огрубяване на системата - наблюдава се сближаване между частиците ,в резултат на което брауновото движение се затруднява и обикновено липсва. Такъв колоиден разтвор се характеризира с повишен вискозитет.
Частиците в колоидния разтвор имат електрически товар. Движението им в електрическото поле показва, че те са електрически натоварени. Това явление беше наречено катафореза или екетрофореза. Частиците на белтъчните колоидни разтвори в по-голямата си част се насочват към анода. При външно напрежение един волт скоростта на колоидните частици арира от 0,0001 до 0,0004 см в секунда.
Общата повърхност на частиците в колоидните разтвори е извънредно голяма. Така например, ако колоидното сребро при обем 10 квадратни сантиметра се раздели на частици с форма на кубче със страна 10-6, каквато е всъщност колемината на колоидните частици на среброто, ще се получи свободна повърхност, която се равнява на площ от шест декара.
Колоидното състояние на материята в живото тяло разгъва огромна площ, по която се развиват процеси на привличане на йони. Това означава увеличаване на електрическия товар.
Електрическият товар на колоидните частици може да бъде положителен или отрицателен в зависимост от водородния показател на разтвора. Прибавянето на киселина или основа към разтвора води до инверсия на електрическия товар. При известни условия скоростта на движението на колоидните частици става равна на нула и те не се привличат нито към анота, нито към катода. Електрическяит им това също става равен на нула. Състоянието, при което настъпват тези явления, се нарича изоелектрична точка. При това състояние колоидната система е най-малко устойчиува, тя се разрушава и настъпва утаяване.
Частицата на колоидния разтвор от белтъчини е заобиколена от два слоя електрически товар с противоположен знак: вътрешният е здраво свързан с частицата,, а външният е по-лабилен. Прибавката на електролити може да измени електрическия това и това води до нарушаване на дисперсната система. Върху повърхността на колоидната частица се развиват повърхностно активни сили с тенденция за намаляване на повърхността. Това повърхностно напрежение се явява като противоречива тенденция в образуването и съществуването на колоидната система. Въпреки това колоидните системи проявяват известна стабилност. Балансирането на тези сили става за сметка на първо място на едноименния електрически товар на колоидните частици, който довежда до отблъскване на частиците една от друга. Това се отнася до хидрофобните колоиди, тоест колоидите, които не влизат във взаимодействие с водата. Стабилността на хидрофобните колоидни системи се основава единствено на това. При хидрофилните колоиди, тоест онези, при които електрическият това действа малко, частиците е обвиват от молекулите на дисперсната среда, настъпва така нреченото оводняване - хидратация, - при което водните молекули се адсорбират по повърхността им. Хидратацията е важен фактор в стабилизирането на колоидните разтвори. Диполните водни молекули образуват слой около колоидната частица и нареждането им е толкова по-правилно, колкото по-близо до частицата се намират. С отдалечаването настъпва и безпорядък между водните молекули.
Ако към един хидрофилен колоид се прибави алкохол, обвивката от водни молекули се разкъсва, повърхностно активните сили встъпват в действие и отделните частици се събират наедно, макар и да запазват своята самостоятелност. Това явление се нарича коацервация. Коацерватите са колоидни разтвори, при които частиците са вече лишени от самостоятелна обвивка - при тях е настъпила дехидратация (обезводняане).
Дехидратация може да се получи по различни начини - чрез въздействие с алкохол, ацетопн, соли, висока температура и други. Тези средства носят името сензибилизатори. Те нарушават стабилността на колоидната система и довеждат до коацервация.
Когато към един колоиден разтвор се прибави електролит, който намалява електрическия товар на колоидната частица (с противоположен електрически товар) или подобно на алкохола намалява хидратацията, настъпва събиране на частиците и се наблюдава утаяване, или коагулация.
Щом електрическият товар на колоидната частица спадне под известен минимум, който се означава като критичен електропотенциал, настъпва утаяване. Това се постиа чрез прибавяне към колоидните частици. Утаяващото действие на йоните расте с увеличаване на валентността им. Едновалентните йони са по-мако ефикасни, отколкото дву и тривалентните.
При изваряване на колоиден разтвор от белтъчини те се отделят под форма на съсирек (coagulum) или се запазват под форма на колоиден разтвор, но свойствата им са вече различни от свойствата на нативните - те са вече неразтворими, от хидрофилни се превръщат в хидрофобни и се денатурират. Този процес е свързан с промени в структурата на колоидндата частица. Денатурирането на белтъците е най-трудно в тяхната изоелектрична точка. Фактори за ускоряването му са топлината, присъствието на киселини, основи и други. Денатурирането се придружава с дехидратиране, а в редица случаи при белтъчините и с освобождаване на сулфхидрилни групи.
Хидрофилните колоиди при хидратирането си имат свойството да набъбват (имбибиция). Те приемат малко повече вода при набъването, отколкото са имали при обикновена хидратация. Разтворите преминават в състояние на гел и набъбват от задържане на водата.
Набъбването на колоидите е най-слабо при изоелектричната точка, при която и хидратацията е най-слаба.
Върху имбибицията влияят редица йони, които изменят условията на нейната проява и размера ѝ. Известна е установената от Hofmeister редица на анионите: сулфати-хлориди-бромиди-нитрати-йодиди-роданиди, при която най-малка е имбибицията при първите аниони и най-голяма - при последните. Най-трудно се утаяват белтъчните колоидни разтвори с роданити, а най-лесно - със сулфати. Почти никакъв ефект върху утаяването на яйчния белтък на оказват йодидите.
Hofmeister дава аналогична редица и за катионите: литий-натрий-калий-рубидй-цезий-магнезий-калций-стронций-баРИЙ. мОДЕЛНИТЕ ОПИТИ, ИЗВЪРШЕНИ ОТ АВТОРА, ИМАТ ИЗВЪНРедно голямо значение за обясняване действието на електролитите върху скоростта на реакциите, утаяването на белтъчините, набъбването, повърхностното напрежение и прочие.
Известно е, че хиудрофолните колоиди в тялото са в повечето случаи отрицателно заредени и следователно катионите ще играят важна роля за промяна на състоянието им. Така например двувалентните катиони - калциевият, магнезиевият, бариевият, стронциевият и прочие - водят до утаяване и уплътняване. Докато едновалентните метали (калий и натрий) благоприятстват хидратацията и набъбванетон ,калциевият йон е дехидратиращ.
При утаяването на един колоид имат значение електрическият товар и валентността на катиона, с който се действа. Едновалентните катиони забавят образуването на гел, а двувалентните го ускоряват. Така например калиевият йон в организма е дифузибилен и диуретичен, а калциевият - утаител и уплътнител на лигавични - мукозни и серозни - повърхности. Двувалентните метали предпазват червените кръвни клетки от хемолиза, ограничават ексудациите, намаляват резорбциите и така нататък.
Набъбването се характеризира с увеличаване обема на гела и с упражняване на извънредно голям натиск. Водата, свързана при набъбването, се освобождава много трудно. Така известно е, че хидрофилните колоиди на водораслото Laminaria digitata след набъбване при приложение на 40 атмосфери налягане освобождават едва около 17% вода.
Обратно на набъбването е явлението синерезис. При него събирането на хидратираните колоидни частици продължава, обемът на гела намалява и се отделя вода. Синерезис се наблюдава при свиването на кръвния съсирек върху разкъсан кръвоносен съд. Уплатняването на съсирека се съпровожда винаги с освобождаване на кръвен серум.
Беше изтъкнато, че колоидната система е устойчива благодарение на електрическия товар на частиците, от една страна, и на пояса от водни молекули, който се формира около тях, от друга.
Металните колоиди от сребро, злато и други са от малко устойчивите золи и за да се превърнат в стабилни колоидни системи, към тях се прибавят хидрофилни (лиофилни) колоиди (желатин, казеин). Тези хидрофилни колоиди образуват обвивка около колоидните частици и играят ролята на протектори - пречат на утаяването на металните колоиди. Употребените в този смисъл хидрофилни колоиди носят името защитни колоиди. Прибавката на електролит вече не може да доведе до утаяване на металните колоиди.
В млякото се намира калциев фосфат, който не би могъл да се задържи без тези предпазни колоиди. В серума на кръвта трудно разтворимите калциеви соли - фосфати и карбонати - се задържат в разтворено състояние също благодарение на съдържащите се предпазни колоиди.
Образуването на пикочни и жлъчни камъни е свързано също с недостиг на предпазни колоиди, като муцин, холати и други хидрофилни колоиди, които обикновено поддържат в колоидно състояние уреатите, холестерина и калциевия билирубинат. При патологични смущения предпазните колоиди намаляват и се създават условия за утаяването им.
Добрите предпазни колоиди имат свойства и на добри емулгиращи средства. Те правят неразтворимите вещества молекулно диспергируеми, след като предварително се свързват с тях под формата на хидрофилни комплекси. Така в областта на червата неразтворимите във вода висши мастни киселини се свързват със солите на жлъчните киселини - холатите - в комплекси, които се емулгират добре и се размиват във вода.
Емулгиращата сила на хидрофилните колоидни води до фино диспергиране на неразтворимите частици, например въгленовите, надробява ги и ги отмива, когато с полепнали върху телесни повърхности.
В организма такива хидрофилни колоиди са стерините, фосфатите, въглехидратите и белтъчините. От липоидите с голяма емулгираща сиал се отличава лецитинът, който се намира най-много в жълтъка на яйцето. Чрез него може да се диспергират най-разнообразни неразтворими материи.