Биполярный характер молекулы воды делает ее значительно лучшим растворителем, чем большинство других общеизвестных жидкостей. В воде растворяются очень многие вещества, причем растворимость некоторых веществ определяется способностью воды образовывать водородные связи с гидроксильными и карбоксильными группами других молекул. Кроме того, высокое межмолекулярное сцепление в воде, обусловленное образованием водородных связей, имеет следствием аномально высокие по сравнению с большинством других жидкостей удельную теплоемкость и теплоту испарения воды.
Обратимая диссоциация молекул воды вызывает появление в ней ионов Н+ и ОН—, как и все ионы, покрытых многослойными гидратными оболочками. Хотя при 25 С, ионизируется лишь одна из 107 ее молекул, эта слабая склонность к ионизации делает настолько существенной роль Н+ и ОН— в физико-химических и биологических процессах, что ее выражают количественно: ионным произведением воды (Кw ), численно равным 1,0 .10-14. При равенстве концентраций Н+ и ОН—, в более чистой, чем дистиллят воде, раствор считают нейтральным, а его рН = 7. Этот показатель возник из выражения: рН = lg1/[H+] = -lg [H+], где –lg = р. Как видно из схемы в кислом и щелочном диапазонах, сдвиги концентраций Н+ и ОН— всегда взаимозависимы (реципрокны), но, т.к. шкала рН логарифмическая, то ее сдвиг на 1 соответствует изменениям концентрации ионов в 10 раз. От величины pН очень сильно зависят структура, растворимость и биологическая активность макромолекул. Для большинства биополимеров, например, для пептидов, важен не только показатель рН среды, но и их собственная изоэлектрическая точка – показатель рН при которой, суммарный заряд его радикалов (ионогенных групп) равен нулю.
У всех живых организмов внутриклеточные и межклеточные жидкости имеют характерную и постоянную величину pН, которая поддерживается с помощью буферных систем. Буферная система представляется собой смесь слабой кислоты (донор протона) HB и сопряженного с ней основания (акцептор протона) В— или слабого основания и сопряженной с ним кислоты или соли этой кислоты. Такие системы могут нейтрализовать избыток как ионов гидроксония, так и гидроксил-ионов. В первом случае избыток протонов связывается основанием В— с образование воды к кислоты в недиссоциированной форме. Гидроксил-ионы взаимодействуют с HВ с образованием В— и воды. В обоих случаях прежде всего сдвигается соотношение [НВ]/[В— ], а pH изменяется очень незначительно. На кривой титрования видно, что буферные системы работают наиболее эффективно в области pH, соответствующей рКа кислоты. В этой области график имеет максимальную крутизну, и при добавлении определенного количества кислоты или основания ΔрН минимально. Другими словами, буферная емкость системы максимальна при рКа.
Две наиболее важные буферные системы — это фосфатная и бикарбонатная системы.
Донором протона в фосфатной буферной системе служит ион Н2РО4-, а акцептором протона — ион НРО42-. Эта система обладает максимальной эффективностью вблизи pН 6.86,способна сопротивляться изменениям pН в интервале 6.1 — 7.7 и обеспечивает достаточную буферную емкость внутриклеточной жидкости. Донором протона в бикарбонатной буферной системе служит угольная кислота (Н2СО3), а акцептором протона — ион НСО3-. Особенностью этой системы является то, что угольная кислота образуется в результате обратимой гидратации растворенной двуокиси углерода, которая в свою очередь находится в равновесии с углекислым газом, содержащимся в легких или окружающем воздухе. Поэтому величина pН бикарбонатного буфера зависит от парциального давления СО2 в газовой фазе. Бикарбонатная система служит главной буферной системой плазмы крови и эффективно функционирует вблизи pН 7.4.