Osnovy_biokhimii_Nelson_i_Kokh_tom_1 (1123313), страница 29
Текст из файла (страница 29)
2-18 продемонстрирован механизм действия буферной системы. Если мы добавляем к буферному раствору ионы Н или ОН, возникает нсбольшос изменение в соотношении относительных концентраций слабой кислоты и ее авиона и, следовательно, небольшое из- [СНзСООН) [СНзСОО) Н. Рис. 2-та. Буферная система уксусная кислота/ацетат. Благодаря обратимости реакции диссоциации уксусной кислоты система может принимать как ионы Н+, так и ОН-. Донор протонов (уксусная кислота НАс) имеет резерв связанных протонов, которые при необходимости могут выделяться и нейтрализовывать добавляемые в систему ионы ОН- с образованием Н,О. Это происходит, как только равновесие в системе нарушается и значение [Н'ЦОН-] превышает 10™ М' (при 25 'С).
Равновесие быстро восстанавливается, так что ионное произведение воды вновь становится равным 10™ М', однако теперь временно концентрация Н+ оказывается снижена. В результате выражение [Н'][Ас-]/[НАс] ниже значения К так что НАс вновь диссоциирует, пока система не достигнет равновесия. Аналогичным обраюм, сопряженное основание (Ас-) может реагировать с добавляемыми в систему ионами Н'. И вновь две реакции диссоциации стремятся к равновесию.
В соответствии с данным механизмом сопряженная кислотно-основная пара, такая как уксусная кислота/ацетат, препятствует изменениям РН, вызванным добавлением небольших количеств кислоты или основания. Буферное действие — зто всего лишь следствие взаимосвязи двух обратимых реакций, стремящихся к соспшнию равновесия в соответствии с консшнтами равновесия К„и К,.
менение рН. Уменыценне концентрации одного из компонентов буферной системы точно уравновешивается повышением концентрации другого компонента. Сумма компонентов при этол< нс меняется, меняется лишь их соотношение. Для каждой сопряженной кислотно- основной пары характерна своя область рН, где она является эффективным буфером (рис. 2-17). Пара НтРО, /НРО,' имеет рК» = 6,86 и поэтому проявляет свойства буфера в диапазоне рН от 5,9 до 7,9; пара [ч[Н„"/[ч[Нз с рК„= 9,25 может служить буфером в области рН от 8,3 до 10,3.
[98] Часть 1. 2. Вода уравнение Хендерсона-Хассельбаха, значения рН, рК, и концентрации компонентов в буферной системе связаны простым соотношением Кривые титровапия уксусной кислоты, Н,РО„ и ]ЧН, (рис,2-17) мало различаются по форме. Это позволяет предположить, что все они отражают некую общую закономерность. И действительно так: форма кривой титровапия любой кислоты описывается уравнением Хснлсрсопа— Хассельбаха, анализ которого помогает понять буферные свойства и кислотно-основной баланс в крови и тканях позвоночных животных.
Данное уравнение — по существу сщс одна форма выражения константы ионизации кислоты. Уравнение Хсндерсона — Хассельбаха лля диссоциации слабой кислоты НА с образованием ионов Н' и ОН выглядит следующим образом: [Н'][А-] ]НА] Сначала решим это уравнение отпоситсльно [Н']: [НА] [Н']= К, [А] Возьмем отрицательный логарифм обеих частей уравнения: [НА] -1ь[Н'] = — 16Кг — 1ь [А ] Заменяя — 1й[Н'] на рН и — 1ИКг па рКг, получаем: [НА] рн = рКг -19 ], ] Теперь поменяем числитель и знаменатель в выражении †!и[НА][А ], лля чего потребуется изменить знак, и получим уравнение Хендерсонв— Хассельбахж [А ] [НА] (2-9) Данное уравнение описывает кривыс титрования всех слабых кислот и позволяет вывести рял важных количественных соотношений.
Например, из него следует, почему рКг слабой кислоты численно равно значению рН в средней точке на кривой титровапия. В данной точке [НА] = [А ], следовательно, рН = рКг + 1п1 = ркг + 0 = рКг Слабые кислоты и основания служат буферами в клетках и тканях Внеклеточные и впутриклсточныс жидкости многоклеточных организмов имеют характерныс и практически постоянные значения рН.
Первая линия защиты организма от изменений рН обеспечивается буферными системами. Цитоплазыа большинства клеток содержит высокую концентрацию белков, состоящих из аминокислот, чьп функциональные группы действуя>т как слабые кислоты или основания. Например, рК„ииилазольпого кольца в боковой цепи гистидина (рис. 2-19) составляет 6,0; таким образом, белки, содержащие остатки гистилина, являются эффективнымии буферами в области нейтральных значений рН, а боковая цепы истилипа в этой области значений рН может существовать как в протоннрованной,так и в непротонированной форме. Пример 2-5 ИОНИЗАЦИЯ ГИПИДИНА Рассчитайте, какова доля молекул гисгплипз, имеющих протонированное имилазольнос кольцо прн рН 7,3. Значения РК, для гистилипа: рК, = 1,82, рКя (имидазол) = 6,00 и рКз = 9,17 (см.
рис. 3-12, б). Решение. Три иопизирусмыс группы гнстидпна имеют достаточно сильно различающиеся значения Ь".вгк СН. Н С М СН НС вЂ” Н Н СНг — Н С Н СН+ Н НС Н~ Рис. 2-19. Ионизация гистидииа. Аминоккслои гисти- дкн, входящая в сосгав белков, представляет сабой сла- бую кислоту. Значение рК, протонированного ззота в боковой цепи равно 6,0. Уравнение Хеплерсоца Хассельбаха позволяет нам также: 1) рассчитать рКг при заданном значении рН и молярном соотношении донора и акцептора протонов; 2) рассчитать рН, зная рКг и молярное соотношение донора и акцептора протонов; 3) рассчитать молярное соотношение донора и акцептора протонов, если известны рН и рК, 2.9 Роль буферных систем в поддержании рН в биологических системах [99] рК„так что первая кислота (группа — СООН) полностью ионизуется до того, как вторая группа (протонированный имидазол) начинает отдавать свой протон, а нторая группа в свою очередь полностью нонизируется до того, как начинает диссоциировать третья группа ( — 1чна').
(С помощью уравнения Хендерсона-Хассельбаха можно показать, что слабая кислота, ионизованная лишь на 1Ж при рН на две единицы ниже своего значения рК„, ионизована на 99% при рН на две единицы выше значения рК,; см. также рис. 3-12, б.) Нри рН 7,3 карбоксильная группа гистидина полностью депротонирована (-СОО ), а а-аминогруипа полностью протопирована ( — еП(з ). Следовательно, можно утнержлать, что при РН 7,3 частично диссоциирована лишь имидазольная группа, которая может находиться как в протоннрованной (обозначим ее через НЬН'), так и в депротонированной форме (Нь).
Используем уравнение Хендерсона— Хассельбаха: [А ] рн=рк.,+18— [НА] Подставляем значения рКв = 6,0 и рН = 7,3 и по- лччаем: [Нь! 7,3= 60+18[И. Н,] [Нтз] 1,3 = ]д [НЬ] [НЬН'! Таким образом, доля лтолекул гистидина, находятцихся при рН 7,3 в протонированной форме НЬН, составляет 1/21 (1 часть НьН' и 21 часть молекул гистидина, находятцихся в любой форме), или около 4,8%.
Нуклеотиды, такие как АТР как и многие другие ннзкомолекулярные метаболиты, содержат функшюнальные группы, способные к ионизацин. Именно они обеспечивают буферные свойства цитоплазмы. Некоторые высокоспсциализированные органеллы и внеклеточные компартменты содержат в больших концентрациях соединения, которые обеспечивают их буферную емкость: органические кислоты в вакуолях растений, аммонийный буфер в моче.
Фосфатная и бикарбонатная буферные системы играют наиболее важную роль с биологической точки зрения. В фосфатной буферной системе, действующей в цитогмгззме лтобой клетки, в качестве донора протонов выступает НтР04, а в качестве акцептора протонов — Нрохт .' Нтрот Н + НРОтт Фосфатпый буфер наиболее аффективно действует в области рН, близкой к значению РК„= 6,86 (рис.
2-15, 2-17), т. е. в диапазоне рН от 5,9 до 7,9. Таким образом, он эффективен как раз в биологических жидкостях. Например, в большинстве цитоплазматических компартментов клеток млскопитатощих рН находится в интервале от 6,9 до 7„4 (см. пример 2-6). Функции буфера в плазме крови частично выполняет бикарбонатная система, состоящая из угольной кислоты НвСОз в качестве донора протона и бикарбоната НСОз в качестве акцептора протона (К, — зто первая из нескольких констант равновесия, описывающих бикарбонатную буферную систему): НтСОз = Н" + НСОз [Н ЦНСОз! [НтСОз! Данная буферная система сложнее других кислотно-основных пар, поскольку один из ее компонентов — угольная кислота — образуется при растворении (р) в воде диоксида углерода в соответствии с обратимой реакцией: Сот(р) + Нво = НтСОз [со,(р) Цн,о] [Н СО ! В нормальных условиях диоксид углерода — газ<юбразное вещество, и концентрация растворенного Сов определяется равновесием с газообразным СО, (г): СО,(г) = Сот(р) [СО,(р)] [Сот(г)! Итак, рН бикарбопатного буфера определяется концентрацией НтСОз и НСОз, а концентрация НтСОь в свою очередь, определяется концентра- [100[ Часть!.
2. Вода Й[ШВ Пример г-б ФОСФАТНЫЕ БУФЕРЫ а) Рассчитайте рН смеси растворов 0,042 М )ь(аНтРО„и 0,058 М )ь1атНРОе Решение. Применим уравнение Хендерсона — Хассельбаха, которое мы здесь выразим как [сопряженное основание[ рн =рк.,+ 18 [кислота[ В нашем случае кислота (вещество, которое отдает протон) — НтРО„, а сопря- женное основание (вещество, которое присоединяет протон) — НРО~> .
Под- ставив ланные нам значения концентрации кислоты и сопряженного основа- ния и РК.„(6,86), получим: рН= 686+ 18[- '- — [= 686+ 181,38= 686+ 0,14= 70 /0,0581 1О,0421= Для грубой оценки правильности решения можно применить следую>ций принцип: если в растворе болыне сопряженного основания, чем кислоты, то оттитровано более 50% кислоты, и, таким образом, рН болыне рК„. (6,86; значение, цри котором оттитровано точно 50>ь кислоты). б) Насколько изменится РН 1 л буфера, приготовленного в примере (а), если к нему лобавить 1,0 мл 10,0 н.
НаОН? Решение. ! л буфера содержит 0,042 моль НаН>РОе При добавлении 1,0 мл 10,0 н. 1ь1аОН (0,010 моль) зквивалентнос количество (0,010 моль) НаН>РО, переходит вша>НРОо и получается 0,032 моль НаН>РО„и 0,068 моль 1чатНРОе РН такого раствора равен: [НРО„' 1 8 [Н,РО,[ = 6,86+ 18 — ' = 6,86+ 0,33 = 7,2 0,068 0,032 в) Насколько изменится рН 1 л чистой воды (рН = 7), если к нему добавить 1,0 лш 10„0 и. НаОН? Сравните результат с полученным в предыдущем приме(х.. Решение. > (аОН полностью диссоциирует на ионы )ь1а" н ОН, давая [ОН ! = = 0,010 ьголь/л, или 1,0 - 10 а М.
рОН вЂ” отрицательный логарифм [ОН [, и, таким образом, РОН = 2,0. Зная, что рОН + рН = 14 для всех раствор<>в, получаем, что рН нашега раствора равен 12. Как видим, одно и то жс количество НаОН меняет рН ! л воды с 7 до 12„а буфера из примера (б) всего лишь с 7 до 7,2, что наказывает всю силу буферных растворов! цией растворснноп> СОь которая зависит от концентрации СО, в газовой фазе или нарцивльного давления СОт (обозначается рСО>).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
