Русский изменить

Ошибка: нет перевода

×

Уровень pH в клетках

Main page / Генетика XXII века / Раздел 3. БИОХИМИЯ / Уровень pH в клетках

глава 5

Содержание

    Важным свойством воды является то, что атомы в молекулах воды не сцеплены намертво и могут распадаться на положительно заряженный протон (ядро атома водорода) и отрицательно заряженный гидроксил ОН. Эти ионы остаются растворенными в воде, при этом протон может присоединяться и к обычной молекуле воды (образуя ион гидроксония H₃O⁺), и к другим растворенным в воде молекулам. Отданные другими веществами протоны и гидроксилы ничем не отличаются от тех, которые образовались из молекул воды, и точно так же они могут растворяться в воде, перемещаться в разные стороны и присоединяться к разным растворенным в воде веществам.

    Если в растворе имеется примерно равное количество свободных протонов и гидроксилов, то он называется нейтральным. Отсюда понятно, что вода без примесей всегда будет нейтральным раствором, при этом ее молекулы редко распадаются на ионы. И в чистой воде, и в растворах выполняется простое правило: если концентрацию протонов сделать выше, чем в нейтральном растворе, то концентрация гидроксилов станет ниже, и наоборот. Легко понять, почему это так: если в нейтральный раствор добавить излишек протонов, то часть из них провзаимодействует с находившимися там гидроксилами, образовав молекулы воды, и если, к примеру, в результате этого концентрация протонов снизится до такой, какая должна быть в нейтральном растворе, то концентрация гидроксилов неизбежно будет ниже, чем в нейтральном растворе.

    Из-за того, что количество Н+ и ОН связано таким простым образом, достаточно указать концентрацию лишь одного из этих ионов, чтобы охарактеризовать весь раствор в целом. Принято определять концентрацию именно протонов, а не гидроксилов, и называть эту характеристику уровнем кислотности раствора, и тут есть один немного запутывающий момент, связанный с этим термином. Понятно, почему мы говорим, что протон «кислый», ведь именно таким его воспринимают наши вкусовые рецепторы. Мы говорим, что большое количество протонов в растворе закисляет его. Но когда протонов мало, а гидроксилов много, и раствор уже совсем не кислый, а наоборот – щелочной, мы все равно по-прежнему используем термин «кислотность раствора», понимая под этим «степень кислотности», и понимая, что степень эта может быть такой малой, что раствор сам по себе будет не кислым, а щелочным.

    Для численного выражения уровня кислотности придумали шкалу pH (произносится как «пэ-аш»). Концентрация протонов Н+ и гидроксилов ОНможет меняться в очень широких пределах, и как нам это все измерять? Оперировать миллионами, миллиардами и триллионами? Нет, это нереально. В таких случаях ученые оперируют степенями числа 10, и такая шкала измерения называется логарифмической. Это очень просто и очень удобно, зримо. Один десяток атомов – это десять в степени 1, поэтому мы можем сказать, что число 1 по логарифмической шкале обозначает это количество. А триллион атомов? Это десять в двенадцатой степени, а значит вместо того, чтобы рисовать безумные нули, мы скажем, что значение по логарифмической шкале равно 12. Именно по этой причине шкала рН именно логарифмическая, ведь мы имеем дело с поистине астрономическими количествами протонов и гидроксилов.

    Введем теперь понятие «логарифма» — это очень просто. Логарифм числа «а» по основанию «b» (записывается так: logb a) — это та степень, в которую надо возвести число «b», чтобы получить число «а». В химии речь обычно идет о логарифмах с основанием, равным 10, и такой логарифм называют десятичным логарифмом, и он обозначается как lg a. В какую степень надо возвести 10, чтобы получить 1000? В степень 3, а значит lg 1000 = 3. Мы видим то же самое, о чем говорилось выше –вместо реального количества каких-то микрочастиц мы теперь можем говорить о десятичном логарифме этого количества, в результате чего мы можем сравнивать между собой простые маленькие числа, а не гигантские числа с десятками нулей. Вроде простое решение, но дошли до него далеко не сразу, и первыми к этому упрощению пришли астрономы.

    Не вдаваясь в ненужные усложнения, просто скажем, что в нейтральном растворе концентрация протонов равна концентрации гидроксилов, и она очень мала: 10-7 , т.е. одна десятимиллионная. Именно поэтому число 7 и взято в качестве значения рН нормального раствора. Чем выше концентрация протонов, тем меньше это число, и минимальное значение рН равно нулю (в живых клетках такого не бывает – там самый минимум бывает в желудочном соке: от 1 до 2). Если же концентрация протонов доведена до минимума, а гидроксилов – до максимума, то рН равен 14

    Это еще один немного запутывающий момент: чем более кислый раствор, чем больше в нем протонов, тем меньше численное значение pH.

    Так как мы используем логарифмическую шкалу, то это значит, что в растворах, pH которых отличается на единицу, концентрация протонов и гидроксилов отличается в 10 раз. Например, если взять растворы с pH=2 и pH=3, то в первом будет в десять раз больше ионов водорода и в десять раз меньше гидроксилов, чем во втором.

    В нейтральном растворе pH=7, и ионов водорода и гидроксилов там поровну. Если pH раствора меньше семи, то протонов в нем больше, а значит раствор кислый. Растворы с pH больше семи называются щелочными или оснóвными, в них больше гидроксилов, чем протонов

    Почему уровень pH так важен в биохимии, становится понятно, если рассмотреть любую органическую молекулу не как сферическую лошадь в вакууме, а как взаимодействующую с раствором совокупность атомов. В органических молекулах часто встречаются группы атомов, способные отдавать или присоединять к себе протоны или гидроксилы. Например, в группе –OH атом кислорода одной ковалентной связью присоединен к какому-нибудь из атомов той молекулы, к которой этот гидроксил прикреплен, а другой удерживает атом водорода. Электроотрицательность кислорода намного выше, чем у водорода, а значит соединяющее их ковалентной связью электронное облако смещено в сторону кислорода. В результате ядро водорода, или протон, несет частичный положительный заряд, и между ним и молекулами воды образуется водородная связь

    Протон может отсоединиться от кислорода и притянуться к молекуле воды, а затем вернуться назад, и так и курсировать туда-сюда, что и означает, что он растворен в воде, но пока все еще находится возле своего места в органической молекуле

    И вот тут в игру вступает уровень pH: если этот уровень низкий (то есть в растворе много свободных протонов), то будет маленькая вероятность того, что этот наш протон далеко отплывет от молекулы и атом кислорода останется с излишним отрицательным зарядом. А при высоком уровне pH все наоборот: протон не только может далеко отплыть от отдавшей его молекулы, но может еще и вступить в соединение с ионом OH-, которых много имеется в таком растворе, и образовать молекулу воды. В этом случае присоединяться к покинутому кислороду уже просто нечему, возле него нет свободных растворенных протонов. Поэтому чем выше уровень pH, тем больше шансов на то, что некоторые группы органических молекул лишатся непрочно присоединенных протонов и приобретут отрицательный заряд. А несущая на одной из своих частей отрицательный заряд молекула имеет свойства, отличающиеся от свойств той же молекулы без этого заряда, и иногда эти различия очень существенные. Эта молекула может свернуться иначе, прекратить взаимодействовать с одними молекулами и начать взаимодействовать с другими.

    То же самое касается и тех частей органических молекул, которые могут присоединять к себе «лишний» протон из раствора, получая вместе с ним положительный заряд. Прежде всего это относится к часто встречающейся аминогруппе: –NH2. Здесь азот образует три ковалентных связи (одной он присоединен к молекуле, а две других образует с водородами), и эта группа электрически нейтральна. Но как мы знаем, азот обладает способностью образовывать еще одну связь по донорно-акцепторному механизму, ведь после образования трех ковалентных связей у него остается одна неподеленная ни с какими атомами электронная пара. С помощью этой пары электронов азот может захватить «голый» положительно заряженный протон, плавающий в растворе – эта пара электронов таким образом становится общей для азота и получившегося атома водорода, а значит они теперь соединены ковалентной связью. Таким образом получается группа –NH3+, которая несет положительный заряд

    И вероятность этого события тоже очевидно зависит от уровня pH: чем он ниже, тем больше шансов на то, что один из протонов окажется в поле досягаемости электронного облака азота из группы –NH2.

    Итак, функции биологических молекул сильно зависят от того, каков уровень pH у раствора, в котором эти молекулы находятся. Не зная уровня кислотности, невозможно сказать, как будут протекать процессы в клетке и возле нее. Немного отличающийся от обычного для клетки уровень кислотности может привести к серьезному нарушению ее функций, а сильно отличающийся от нормального уровень кислотности межклеточных жидкостей и крови может привести к смерти многоклеточного организма.

    Например, в желудочном соке содержатся молекулы, расщепляющие попадающие туда молекулы пищи – их называют пищеварительными ферментами. Чтобы фермент расщепил молекулу, ему необходимо для начала с этой молекулой соединиться, а потом провзаимодействовать. Для этого у фермента имеется карман определенной формы, в которую помещается молекула пищи, а затянуть ее туда можно, имея в нужных местах поверхности электрические заряды.

    Для успешного функционирования желудочных ферментов необходима кислотная среда, то есть большое количество растворенных вокруг них протонов. Если этих протонов станет недостаточно, ферменты начнут терять находящиеся на их поверхности протоны, заряд их поверхности и форма начнут изменяться, и взаимодействовать нужным образом с молекулами пищи они уже не смогут. Крупные молекулы пищи необработанными попадут в кишечник, где уже нет тех ферментов, которые должны были их расщепить – находящиеся там ферменты приспособлены для расщепления более мелких молекул. Поэтому понижение кислотности желудка приводит к снижению способности организма переваривать пищу, что проявляется как заболевания разной степени тяжести.