Osnovy_biokhimii_Nelson_i_Kokh_tom_1 (1123313), страница 26
Текст из файла (страница 26)
353), клетки печени и мышц запасают углеводы не в виде низкомолекулярных сахарон, таких как глкркоза или сахароза, но в ниле высокомолекулярного полимера гликогена, что позволяет минимизировать влияние на осмолярность цитозоля. Решение. Как мы получили в примере 2-1: Краткое содержание раздела 2.1. СЛАБЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В ВОДНЫХ СРЕДАХ ° Большое различие электроотрицательности атомов Н и О является причиной сильной полярности молекулы воды, благодаря чему она образует водородные связи с другими молекулами воды, а также с молекулами растворен- пых веществ. Водородные связи непостоянны, имеют в основном электростатическую природу и по прочности слабее ковалентных связей.
Вода — хороший растворитель для полярных (гидрофильных) веществ, с которыми она образует водородные связи, и лля заряженных веществ, с которыми она вступает в электростатические взаимодействия. 2.2 Ионизация воды, слабые кислоты и слабые основания 1891 ° Пеполярныс (ггщрофобные) вещества плохо растворяк>тся в воде и це способны образовывать водородные связи с растворителем.
При наличии в водном растворе гидрофобных веществ происходит энергетически невыгодное упорядочение молекул воды на их поверхности. Для минимизации обращенной к воде поверхности нсполярные вещества, такис как липиды, образуют агрегаты (мицеллы) таким образом, что гидрофобпые остатки молекул обращены внутрь мицелл, а полярныс группы реагируют с водой. Силы, заставляющие гндрофобные частицы удерживаться вместе в растворе полярного растворителя, называют гидрофобными взаимодействиями. ° Многочисленные слабые нсковалентные взаимодействия играют важнук~ роль в образовании нативной конформации таких макро- молекул, как белки и нуклеиновые кислоты. Наиболее устойчивая копформация биомолекулы характеризуется реализацией максимального числа водородных связей внутри самой молекулы, а также между молекулой и растворителем.
При этом гидрофобныс остатки образуют кластеры внутри биомолекулы, в результате чего их контакт с водой оказывается минимальным. ° Физические свойства водных растворов сильно зависят от ко~щентрации растворенньгх веществ. Если два водных раствора разделены полупроницасмой мембраной (такой как плазлщтическая мембрана, отделяющая клетку от окружающей среды), вода стремится пройти сквозь мембрану и сравнять осмолярность двух распюров. Давление, оказываемое при этом водой, называют осмотическим давлением. 2.2. Ионизация воды, слабые кислоты и слабые основания Многие свойства воды в качестве растворителя можно объяснить, рассматривая Н,О как незаряженную молекулу.
Однако иногда необходимо учитывать небольшую степень ионизации воды и наличие в воде ионов водорода Н' и гидроксидионов ОН . Ионизация воды как любая обратимая реакция характеризуется константой равно- песня. При растворении в воде слабых кисло~ они ионизуются и вносят в воду дополнительныс ионы Н', слабые основания присоединяют к себе Н' и переходят в протоцированную форму. Каждый из этих процессов характеризуется константой равновесия. Общая концентрация ионов водорода определяется экспериментально и выражается как рН раствора. Чтобы предсказать состояние ионизация того или иного вещества в растворе, необходимо учесть константы равновесия соответствующих реакций ионизацин.
Поэтому мы сейчас обратимся к рассмотрению вопроса об ионизации воды, а также растворенных в воде слабых кислот и оснований. Чистая вода иоиизоваиа слабо Молекулы волы имеют небольшую склонность к ионизации, т. е. к образованию ионов водорода (протона) и гидрокснла в соответствии со следующим уравнением: Н,О = Н-+ ОН (2-1) Обычно мы представляем продукт диссоциацин воды как Н', однако следует иметь в виду, что свободных протонов в воде не существует. Ионы водорода в воде немедленно гидратиру ются, т. е. превращаются в ион гидроксония (гидрония) НзО'. Благодаря наличию водородных связей между молекулами воды гидратация протонов происходит практически мгновенно: Н вЂ” 01пН вЂ” Π— Н вЂ” О' — Н + ОН Н Н Н Степень ионизации воды можно определить по ее электрической проводимсх:ти.
Чистая вода проводит электричество, поскольку НзО' движется к катоду а ОН вЂ” к аноду. Движение этих ионов в электрическом поле отличается исключительной быстротой по сравнении> с такими ионами, как Ха', К' или С1 . Такую высокую подвижность можно объяснить, учитывая механизм передачи про~она, изображенный на рис. 2-13. Дело в том, что нс один конкретный протон передвигается в толще воды на дальние расстояния, а целая «армияь протонов переносит заряд между соседними, связанными водородными связями молекулами воды; суммарный эффект этого состоит в переносе протона на дальнее расстояние за удивительно короткое время. Благодаря столь высокой подвижно- )90) Часть 1.
2. Вода Иоп гилроксапия отдает протон Н Н «Прыжок» протона т/ О '-Р-ОД н-' о Он / ~-„о' / Н Вола принимает протон и становится попом гчлриксоппя Рис. 2-13. Механизм «протонных прыщ«о«а. Своеобразные «прыжхиа протонов между соседними связанными водородной связью мояекуламн воды очень сильно увеличивают общую скоросгь переноса протона на достаточно большие расстояния. Ках только ион гхдрохсания (наверху слева) отдает свой протон, практически сразу молекула воды, находящаяся от него на некотором расстоянии (внизу справа), принимает протон и сама синовится ионом гидрохсония.
Скорость передачи протона в соответствии с таким механизмом оказывается намного выше скорости диффузии и обьясняет удивительно высокую подвижность протона по сравнению с подвижностью других одновапентиых катионов, таких хах На' хлх К'. стн Н' (а также ОН, который перемещается так жс быстро, только в противоположном направлении) кислотно-основные реакции в водных растворах обычно протекают с очень высокими скоростями. Кроме того, как отмечалось выше, такой механизм переноса протона играет, по всей видимости, очень важную роль в биологических процессах (рис. 2-10; см. также рис. 19-67). Поскольку обратимая ионизация воды имеет очень важное значение для понимания роли волы в функционировании клеток, необходимо знать способы количественного ныражения степени ионизации. Рассмотрим кратко некоторые общие свойства обратимых химических реакций.
Равновесие любой химической реакции характеризуется константой равновесия К,ч, часто обозначаелюй просто К. Константу равновесия химической реакции А + В = С + Р (2-2) можно выразить через концентрации реагирую- щих веществ (Л и В) и продуктов реакции (С я Р) в соответствии с уравнением: )С)„„<Р) )Л),(В!, Ионизацию воды можно охарантеризовать величиной константы равновесия Ионизация воды в соответствии с уравнением 2-1 протекает лишь в незначительной степени; в любой конкретный момент при 25 'С лишь две из 1ов молекул воды находятся в ионизованном состоянии.
Константу равновесия для обратимой реакции (2-1) можно записать как )Н'))ОН ) К, = )Н,О) (2-3) В чистой воле при 25 'С концентрация воды составляет 55,5 М (эту величину получают, разде- Строго говоря, в уравнении должны стоять активности (эффективные концентрации в неидеальных растворах) каждого вещества. Однако, за исключением отдельных, очень точных зкспериментов, константу равновесия можно оценить, измеряя равновешиме концентрации веществ. Константа равновесия — безразмерная величина, но следует помнить, что для сс определенна а уравнение подставляют значения концентраций веществ, выраженные в молях. Константа равновесия — зто постоянная величина, которая служит количественной характеристикой любой химической реакции прп данной температуре.
Опа позволяет вычислить состав равновесной смеси, независимо от количеств исходных веществ и образукнцихся продуктов. И наоборот, если известны концентрации всех исходных веществ и конечных оролуктов в состоянии равновесия, то для реакции, протекавшей при данной температуре, можно легко вычислить константу равновесия. Как мы показали в гл. 1, логарифм константы равновесия напрямую связан с изменением свободной энергии Гиббса А6'. 2.2 Ионизация воды, слабые кислоты и слабые основания (91] лив число граммов волы в 1 л на молекулярную массу воды: (1000 г/л)/(18,015 г/моль) = 55,5 М). Эту величину можно считать практически постоянной по сравнению с горазло более низкими концентрациями Н и ОН, составлякнцими 1.
10 т М. Таким образом, значение55,5 М можно подставить в уравнение 2-3, в результате чего получаем: (Н ЦОН-] К, = 55,5 М илн (55,5М)К, =(Н'ЦОН ]=Км (2-4) гле К„прелставляет собой произвеление 55,5 . Км, и называется ионным произведением воды прн 25 'С. Численное значение Кме опРелеленное по электропроволности чистоп волы, при 25 'С равно 1,8 . 10 'в. Полстановкой этой величины в уравнение 2-4 получаем численное значение ионпопа произведения воды: К„=(Н'ЦОН ] =1О гзМ ~ Пример 2-4 РАСЧЕТ [ОН 1 = 1,0 10-' М' Это означает, что произведение (Н'ЦОН ] в водном растворе прн 25 'С всегда равно 1 . 10 " Ма. Если концентрации ионов Н' и ОН в точности равны друг другу, что действительно так, например, в чистой воде, раствор называется нейтральным (имеет нейтральное значение рН).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
