Вода – основа жизни. Буферные системы

Давайте сегодня поговорим о том, какое же вещество, какая материя образует живые организмы. Начнём с того, которого больше всего. Это вода. Об этом вы наверно уже много раз слышали. Вода наиболее распространенное вещество в живых системах и составляет не менее 70% веса большинства организмов. Поэтому, когда говорят о весовом составе живой субстанции, часто говорят о сухом весе, т.е. говорят, что то или иное вещество составляет столько-то процентов сухого веса. Вода заполняет все организмы, все клетки, все их части и является той средой, в которой осуществляется транспорт питательных веществ, проходят химические реакции, катализируемые ферментами, и преобразования энергии. Считается, что первые живые организмы появились именно в воде, в доисторическом океане. На то, в какую сторону пошла эволюция, неизбежно повлияла среда, в которой она происходила. Все аспекты физики и химии клетки подогнаны под свойства воды. Без воды жизнь в существующем виде не возможна. Как говорится, «без воды и ни туды и ни сюды».

Вода является не только растворителем, но и участвует во множестве реакций в качестве реагента. Например, это всевозможные реакции гидролиза, т.е. «разложения водой». Есть даже целый класс ферментов, катализирующих такие реакции, «гидролазы». В результате гидролиза происходят, в частности, все виды деполимеризации. Например, расщепление белков на аминокислоты. Гидролазы при этом присоединяют элементы воды к образовавшимся свободным радикалам. При расщеплении глюкозы, выделяется углекислый газ и вода. Вода является донором электронов при фотосинтезе в зеленых растениях и сине-зеленых водорослях.

В чём особенности воды? Можно легко заметить, что у воды, по сравнению с другими жидкостями, очень высокая температура плавления и температура кипения. У нее самая высокая удельная теплота парообразования, высокая удельная теплоемкость. Чем обусловлены эти необычные свойства? Обратимся к внутреннему строению воды.

Молекулы воды полярны и имеют уголковое строение. Геометрия диктуется формой электронных орбиталей атома кислорода. Орбитали образуют почти тетраэдр, но не идеальный, в идеальном 109.5 град, в нашем – 104.5 град. Молекула воды – диполь, что делает воду полярной жидкостью, так называемым полярным растворителем. Из энергетических соображений молекулы будут стремиться повернуться так, чтобы О из одной молекулы было обращено на Н другой молекулы, ведь именно там сосредоточен «-». Возникает водородная связь. Энергия водородной связи 9кТ (или 20 кДж на моль) лежит между ван-дер-вальсовым притяжением (для двух небольших нейтральных молекул 0.6-1.6 kT) и обычной ковалентной связи (90-350 кТ) 420 кДж на моль. Длина водородной связи – фактически расстояние между атомами О, 0.27 нм. Она складывается из 0.177 нм и 0.097 нм (по данным кристаллографии). 0.097 нм это меньше атомного радиуса, значит Н лишен электронной оболочки. Кроме того, образование водородной связи растягивает ковалентную связь в ОН-группе. Как лучше всего реализовать максимальное количество водородных связей? Поместить молекулы в вершинах тетраэдра. Именно так и устроен лёд. Каждая молекула воды образует по 4 связи. Но тепловое движение мешает этому. Однако в жидкой воде сохраняются элементы такой структуры. Связи короткоживущие, в среднем в каждый момент времени у каждой молекулы по 3.4 связи вместо 4. Полярность воды используется, например, в микроволновой печи. Внешнее поле будет стремиться упорядочить молекулы воды, противодействую тепловому движению, которое стремится их разупорядочить. Переменное электрическое поле раскачивает молекулы в еде, трение же превращает эту энергию в тепло. Водородные связи могут возникать и в других молекулах, содержащих Н, связанный с O, N, F. Самая большая энергия водородной связи реализуется, когда все три атома располагаются на одной прямой. Это задает им определенную геометрию (имеет последствия).

Предположим, в воде есть примеси. Начнём с простых, например солей. Растворение солей происходит в результате сольватации ионов, вызывающей экранирование зарядов, ослабление тенденции к образованию кристаллов. Увеличение энтропии происходит почти без энергетических потерь.

Также хорошо растворяются и полярные молекулы. Особенно перекись водорода, она встраивается в сетку почти без затрат свободной энергии. Хорошо растворяются спирты. Происходит замещение водородных связей вода-вода на вода-растворенное вещество. Еще хорошо растворяются кетоны.

Неполярные газы растворяются плохо. Биологически нам важны кислород, азот, углекислый газ. Еще сероводород и аммиак. Сероводород и аммиак полярны и растворяются хорошо. В результате реакции углекислого газа с водой образуется угольная кислота. Для транспорта кислорода в плазме крове существует специальный белок – гемоглобин.

Как быть с неполярными соединениями, например, углеводородами. С неэлектроотрицателен и СН- не образует водородных связей. Углеводороды входят в состав масел, восков, мембран. Вокруг неполярных примесей молекулы воды образуют клатратную клетку. Часть водородных связей при этом теряется, так как с примесью не образуются. Зато молекулы воды стараются образовать связи между собой. Это ограничивает подвижность молекул воды и приводит к энтропийным потерям. Поэтому растворимость плохая. Это явление часто называют гидрофобным эффектом. Это может навести на мысль, что молекулы воды и масла «боятся друг друга». Это не так, они притягиваются, как обычные молекулы под действием ван-дер Ваальсовых сил. Но вода притягивает себя больше, чем масло, поэтому она его как бы отторгает. Что это за сила? Любой изолированный объект достигает равновесия, находясь в состоянии, являющемся наилучшим компромиссом между энтропийными и энергетическими соображениями. Возьмем заряженную поверхность. На ней будет образовываться облако противоионов. Если взять две неполярные поверхности в воде, они будут стремиться слипнуться. Что за сила тянет их друг к другу? Никакой специальной силы нет. Сольватация неполярных поверхностей приводит к уменьшению энтропии, значит, они будут стремиться слипнуться, чтобы уменьшить площадь неполярной поверхности, обращенной к воде. Это чисто энтропийная сила. Гидрофобное взаимодействие близкодействующее. Молекулы примесей образуют кластеры. От чего зависит величина эффекта? Он затрагивает всего лишь несколько молекулярных слоев, и поэтому пропорционален площади поверхности клатратной клетки. Чем меньше площадь поверхности, тем меньше потери свободной энергии. Надо уменьшать площадь поверхности. Как? Слипаться, чтобы при данном объеме поверхность контакта была минимальной.

Амфипатические соединения содержат как полярные, так и гидрофобные участки. Они находят другой выход – образование мицелл. Неполярные участки держит вместе гидрофобный эффект, гидрофобное взаимодействие. То же самое стремится уменьшить поверхность капли. На границе раздела вода воздух ни одна молекула не может образовать 4 водородные связи.

Польза от свойств воды – см. таблицу в презентации.

Вспомним, что такое химическое равновесие. Рассмотрим реакцию

A + B «C + D

Пусть [A], [B], [C], [D] – равновесные концентрации реагентов при данной температуре. Тогда справедливо равенство: K_eq.= [C]•[D]/ [A]•[B]. K_eq. – это постоянная величина, константа равновесия, характеризующая данную реакцию и зависящая от температуры. Константа равновесия не зависит от начальных условий. Еще раз подчеркнем, что в уравнение входят равновесные значения концентраций.

Рассмотрим процесс ионизации воды (диссоциации на протон и ОН-группу) и химическое равновесие в отношении этого процесса. H₂O «H⁺ + OH^-

K_eq.= [H⁺]•[OH^-]/ [H₂O], где [H⁺], [OH^-] и [H₂O] – равновесные концентрации. В чем измеряются концентрации? Мы будем использовать понятие молярности, М обозначает 1 моль вещества в 1 литре. Таким образом, например, 0.1 М означает 0.1 моль/литр. Вычислим [H₂O]. При данной температуре это величина постоянная. Посчитаем количество вещества в 1 литре воды (x). Масса 1 литра – 1000 г, молекулярная масса воды – 18 г/моль.

[H₂O]=x моль/л=(1000г/18г/моль) моль/л = 55.5 моль/л = 55.5 М

Для воды K_eq. = 1.8 •10^-16 М при 25 °С.

Перепишем уравнение для равновесия: [H₂O] • K_eq. = [H⁺]•[OH^-] = K_w

[H₂O] • K_eq. - постоянная величина при данной температуре, следовательно K_w - тоже постоянная. Она носит название ионное произведение воды. Подставив значения, получим: K_w = [H⁺]•[OH^-] = 10^-14 М²

В чем смысл этого выражения? Оно верно не только для чистой воды, а для любой водной системы, источник протонов и свободных OH-групп не важен, главное, что произведение их концентраций всегда будет постоянным при данной температуре.

Рассмотрим пример. Пусть концентрация NaOH = 0.1M. Найдем концентрацию [H⁺] в этом растворе. [H⁺] = K_w /[OH^-]. Так как NaOH – сильная щелочь, она полностью диссоциирует в воде: NaOH «Na⁺ + OH^-, [OH^-]» [NaOH].

K_w /[OH^-] = K_w /[NaOH] = 10^-14 М² / 0.1M = 10^-13 М

Для чего надо знать [H⁺]? Это показатель кислотности среды. И в науке, и теперь в быту кислотность измеряют в единицах рН.

По определению: pH = -lg [H⁺]

Для чистой воды H₂O: [H⁺] = [OH^-] = 10^-7 М

pH = -lg 10^-7 = 7.0

Вернемся к только что рассмотренному примеру. Для раствора NaOH с концентрацией 0.1 M: рН= -lg [H⁺] = -lg 10^-13 = 13

Для [HCl] = 0.1M: pH = -lg [H+]= -lg [HCl] = 1.0

Среда с рН около 7 считается нейтральной, кислая среда имеет низкие значения рН, чем ниже – тем кислее. Щелочная среда характеризуется высокими значениями рН. Кислую реакцию имеет лимонный и желудочный сок, кола и даже томатная паста. рН крови – слабо щелочной, почти такой же рН имеет морская вода.

Рассмотрим диссоциацию слабых кислот. В биологии основную роль играют именно они. Возьмем для примера уксусную кислоту (ацетат) и запишем реакцию диссоциации на протон и ацетат-ион СH₃СOO^-.

СH₃СOOH «H⁺ + СH₃СOO^-

Будем обозначать ацетат-ион как Ас^-. AcH «H⁺ + Ac^-

Так как кислота слабая, степень диссоциации будет невелика, основная часть молекул останется в виде кислоты. K_eq.= [H⁺]•[Ac^-]/ [AcH]

Прологарифмируем это выражение:

-lg K = -lg [H⁺] - lg([Ac^-]/[AcH])

Обозначим: pK = -lg K. Вместо ацетат-иона может быть любой другой ион органической кислоты А.

Получим уравнение Хендерсона-Хассельбалха:

pH = pK + lg([A^-]/[AH])

Титрование слабых кислот. Термин титрование обозначает добавление какого-то вещества, кислоты или щелочи, маленькими одинаковыми порциями.

Возьмем раствор ацетата и будем прикапывать маленькие порции NaОН и на каждом шаге измерять рН. Раствор обычно берут концентрированный, чтобы объем системы менялся слабо. Зависимость рН от количества прилитой щелочи (титранта) называется кривой титрования. До начала титрования в растворе будет почти одна только кислота, т.к. степень диссоциации мала.

AcH + NaOH «AcNa + H₂O, но NaOH – сильная щелочь, NaOH «Na⁺ + ОН^-

Образующийся ацетат натрия будет диссоциировать:

AcNa «Na⁺ + Ac^-

В итоге получим: AcH + OH^- «Ac^- + H₂O.

Добавляемые ОН^--группы будут связывать протоны, что в свою очередь будет приводить к дальнейшей диссоциации АсН и образованию Ас^-.

Так как диссоциация AcNa почти полная, количество [Ac^-] = [AcNa], следовательно [Ac^-] = [NaOH], так как AcNa образуется только из NaOH.

Заметим, что логичнее и нагляднее всего рассматривать именно количество прилитого вещества, а не объем или массу. Количество приливаемого вещества обычно измеряют в эквивалентах, так как основной интерес представляет соотношение между количеством титранта и титруемого вещества, в нашем случае щелочи и слабой кислоты. Если в раствор добавлено столько же молекул щелочи, сколько молекул кислоты было в растворе, говорят, что добавлен 1 эквивалент. На кривых титрования по оси абсцисс чаще всего откладывают количество эквивалентов.

Рассмотрим форму кривой титрования: pH = pK + lg([A^-]/[AH]). [A^-] пропорциональна количеству прилитого титранта, т.е. [A^-] = k• (кол-во прилитого NaOH), [AH]+ [A^-]= const = [A]₀ (начальная концентрация кислоты). Y(X)=C+lg(kX/(B-kX))= C+lg(X/(D-X))

Если продолжить титрование после добавления 1 эквивалента, ход кривой изменит характер. рН=14-рОН=14+lg[NaOH], т.е. Y=C+lg(kX)=D+lgX

Рассмотрим точку на кривой, соответствующую половине эквивалента прилитого титранта (50%) титрования. В этой точке половина кислоты диссоциировала, т.е [A^-]=0.5[A]₀, следовательно, [A^-] = [AH], а значит, согласно уравнению Хендерсона-Хассельбалха рН=рК. Мы приходим к физическому смыслу рК: это такое значения рН, при котором диссоциирует половина молекул.

Средняя часть кривой имеет плато, т.е. при добавлении щелочи рН меняется медленно. Система, обладающая такими свойствами, а именно почти не изменяющая рН при добавлении небольшого количества щелочи или кислоты, называется буфером. Слабая кислота в середине кривой титрования обладает буферными свойствами.

Для приготовления буфера часто берут эквимолярную смесь слабой кислоты и ее соли, полученной из сильной щелочи, например, AcH и AcNa, взятые в равных количествах. рН такого буфера будет равно рК для реакции диссоциации данной кислоты, в случае ацетата – 4.74. Такая система обладает наилучшими буферными свойствами.

Допустим, мы добавляем к системе кислоту (H⁺). При этом [H⁺] сначала увеличится, но по достижении равновесия должно сохраняться K_eq.= [H⁺]•[A^-]/ [AH]. Установившееся равновесие сместится в сторону AcH. Протоны будут присоединяться к A^- и [H⁺] почти не изменится. Если добавлять в систему ОН-группы, [H⁺] будет уменьшаться, так как [H⁺]•[OH^-] = K_w. Тогда равновесие будет сдвигаться в сторону A^-, т.е. AH будет диссоциировать, компенсируя недостаток протонов.

Рассмотрим пример приготовления буферного раствора на заданную величину рН. Приготовим ацетатный буфер с концентрацией 0.4 M на pH 5.22.

Согласно уравнению Хендерсона-Хассельбаха

pH = pK + lg([ Ac^-]/[AcH]); для ацетата pK=4.74

lg([ Ac^-]/[AcH])=0.48, следовательно [ Ac^-]=3[AcH]

[Ac^-] + [AcH]=0.4

Получим: [AcH] = 0.1 M; [Ac^-] = 0.3 M

Итого, на литр воды надо взять 0.1 моль кислоты (AcH) и 0.3 М соли, например NaAc.

В живых организмах функции по поддержанию рН в основном выполняются двумя буферными системами: фосфатным и бикарбонатным буфером. Но есть и другие буферные системы. В вакуолях растительных клеток буферами работают органические кислоты, в моче – аммоний, во многих белках содержится гистидин, также обладающий буферными свойствами.

Фосфатный буфер обеспечивает поддержание рН внутри клеток.

H₂PO₄^- «H⁺ + HPO₄^2-. Для этой системы pK=6.86.

Во внеклеточной среде, например в крови, работает бикарбонатный буфер. H₂СO₃ «H⁺ + HСO₃^- pK=6.1

У животных, имеющих легкие, бикарбонатная буферная система – эффективный физиологический буфер с рН 7.4, так как H₂СO₃ в плазме крови находится в равновесии с СO₂ в легких. В этой системе три равновесия.

K₁= [H⁺]•[HСO₃^-]/ [H₂СO₃]

H₂СO₃ получается из растворенного в воде углекислого газа:

СO₂ (p) + H₂O «H₂СO₃

K₂= [H₂СO₃]/[H₂O]•[СO₂ (р)]

Растворенный углекислый газ находится в равновесии с газовой фазой.

СO₂ (г) «СO₂ (р)

K₃= [СO₂ (р)]/[СO₂ (г)]

Если в кровь добавить H⁺, равновесие (1) сместится в сторону H₂СO₃. Так как равновесие (2) должно сохраниться, это приведет к увеличению концентрации растворенного СO₂ в крови. Так как концентрация окажется выше равновесной для данного давления в легких, излишний СO₂ будет выдыхаться через легкие. Если же к плазме добавить ОН^-, H₂СO₃ начнет диссоциировать. Его запас будет пополняться за счет СO₂ в плазме. Концентрация растворенного СO₂ станет меньше равновесной, и СO₂ из легких начнет растворяться в плазме.

рН крови составляет 7.40, это значение должно поддерживаться в очень узком интервале: pH 6.8<жизнь< pH 7.8

Вычислим [A^-]/[AH].

7.4 = 6.1 + lg([A^-]/[AH]), откуда lg([A^-]/[AH])=1.3;

[Ac^-]=20 [AcH]

Т.к. концентрация буфера 28 мМ, [HСO₃^-] = 26.6 mM; [H₂СO₃] = 1.4 mM

Если рН крови оказывается слишком низким, в клинической практике говорят, что это ацидоз, если слишком высоким – алкалоз. Всё, что затрагивает концентрацию HСO₃^-, носит название метаболических условий, так как такие изменения вызываются нарушениями обмена веществ (метаболизма) в организме. Если нарушается концентрация H₂СO₃, условия называют респираторными, так как аномальная концентрация связана с нарушениями дыхания, т.е. газообмена.

Метаболический ацидоз - избыток H⁺ часто бывает при диабете.

Метаболический алкалоз: недостаток H⁺ (отравление щелочью)

Респираторный ацидоз: избыток H₂СO₃ вызывается избытком СO₂ в атмосфере или недостаточной очисткой легких.

Респираторный алкалоз: недостаток H₂СO₃ может быть вызван гипервентиляцией легких

Пусть [HСO₃^-] = 50 mM и [H₂СO₃] = 1.4 mM (пациент в коме)

Вычислим рН

pH = 6.1 + lg 50/1.4 = 7.67

Имеет место метаболический алкалоз

Дата добавления: 2014-01-07