Вода — это самое распространенное соединение в живых организмах. Например, в клетках человека среднее содержание воды составляет 40%, в т. ч., в клетках тканей зубов – 3…10%, в клетках жировой ткани – 30…40%, в клетках печени – 75%, в клетках головного мозга 80…85%. В растительных клетках содержание воды достигает 95% за счет клеточного сока.
Как известно, жизнь зародилась в воде и по-прежнему остается тесно связанной с водой. Поэтому физико-химические свойства воды имеют фундаментальное значение для процессов жизнедеятельности. Она заполняет клетки и межклеточные пространства и представляет собой ту среду, в которой осуществляются диффузия веществ, химические реакции и взаимодействия макромолекул (белков и нуклеиновых кислот) друг с другом. Кроме того, вода сама непосредственно участвует во многих химических реакциях клетки. Два свойства воды – способность образовывать водородные связи и обратимая ионизация – важнейшими условиями для протекания внутриклеточных процессов.
Атомы кислорода и водорода обладают разным сродством к электрону (электроотрицательностью), и, хотя молекула воды в целом электрически нейтральна, на кислороде локализуется частичный отрицательный около -0,6, а на атомах водорода — частично положительный заряды около +0,4. Что позволяет рассмотреть молекулыу воды как электрический диполь — каждая молекула воды, подобно маленькому магниту, притягивает к себе за счет образования водородных мостиков еще четыре молекулы. При этом каждая молекула проявляет свойства как донора, так и акцептора водорода. Поэтому у воды в жидком состоянии многие молекулы связаны между собой водородными «мостиками», при этом образующиеся ассоциаты находятся в динамическом равновесии, часто образуя тетраэдрические структуры, так называемые «кластеры» воды. При понижении температуры доля кластеров возрастает вплоть до начала кристаллизации. При нормальном атмосферном давлении вода кристаллизуется при 0oC. при этом большинство молекул воды оказываются встроенными в гексагональную решетку. Поскольку в твердом состоянии расстояние между молекулами в среднем больше, чем в жидкости, плотность льда меньше по сравнению с плотностью воды. Это свойство воды очень важно в экологическом отношении хотя бы потому, что зимой на поверхности водоемов образуется слой льда и они редко промерзают до дна.
Высокая точка кипения воды является следствием высокой теплоемкости испарения, что в свою очередь обусловлено неравномерным распределением электронной плотности в молекуле воды. Молекула воды имеет форму тетраэдра, в центре которого расположен атом кислорода. Две вершины тетраэдра заняты свободными электронными парами атома кислорода, а остальные две — атомами водорода. Поэтому связи H—О—H расположены под углом друг к другу, является полярной. Благодаря такому пространственному разделению зарядов соседние молекулы могут электростатически притягиваться друг к другу с образованием химической связи – водородной связи, т.к. два электроотрицательных атома оказываются связаны через атом водорода.
Водородные связи характерны не только для воды, они могут образовываться как внутримолекулярные, например, в молекуле пептида или нуклеиновой кислоты, которые играют важную роль в организации структуры и функционировании этих макромолекул.
Водородные связи намного слабее ковалентных. Энергия водородных связей в жидкой воде (т.е. энергия, необходимая для разрушения одной связи) составляет примерно 18.8 кДж/моль, тогда как энергия ковалентных связей Н-О в молекулах воды равна 460 кДж/моль. Молекулы в жидкой воде находятся в непрерывном тепловом движении, поэтому образующиеся водородные связи постоянно и быстро разрываются и вновь восстанавливаются.