Практикум по курсу «Биохимия» для студентов специальностей 260204 «Технология бродильных производств и виноделие» и240901 «Биотехнология» Бийск (стр. 2 из 13)
 |
Рисунок 1 – Схема возникновения полярности за счет асимметрии
молекулы воды
Такое строение молекулы обеспечивает нейтрализацию зарядов ядра кислорода. Преимущественное сосредоточение положительных и отрицательных зарядов на разных полюсах молекулы приводит к развитию дипольного момента. Дипольный характер молекул воды хорошо объясняет растворимость в ней полярных веществ и плохую растворимость неполярных.
Для процессов растворения большое значение имеет полярность молекул. Полярными называют молекулы, у которых одна часть имеет положительный заряд, другая – отрицательный (рисунок 1б). Полярность возникает, когда молекулы имеют ионные связи, т.е. состоят из ионов. Например, при образовании молекулы NaCl происходит переход электрона от атома натрия к атому хлора, возникают два противоположно заряженных иона, которые взаимно притягиваются, образуя ионную связь. При этом одна часть молекулы сохраняет отрицательный, а другая – положительный заряд (рисунок 1в). Полярными являются молекулы с ковалентными связями, построенные асимметрично. Двойные и тройные связи также обусловливают дипольность молекулы, т.к. их π-связи всегда поляризованы (рисунок 1г).
К полярным относятся также ионогенные группы: карбоксильная –COOH и аминогруппа –NH2. При диссоциации этих групп возникают электрические заряды, усиливающие их полярность: R–COO– и
R–NH3+.
Всякая несущая заряд частица – ион, или полярная молекула, в растворе окружена сольватной оболочкой из молекул растворителя. В случае, если растворитель – вода, оболочка называется гидратной, а процесс ее образования – гидратацией (рисунок 2). Гидратная оболочка удерживается электростатическими силами притяжения, причем полярные молекулы могут образовывать углеродные связи с молекулами воды.
Рисунок 2 – Схема растворения кристаллов NaCl и образования
гидратированных ионов Na+ и Cl–
Способность жидких и твердых веществ растворяться зависит, с одной стороны, от их способности образовывать сольватную оболочку, а с другой стороны, от полярности молекул. Хорошая растворимость, например, сахаров, не образующих ионов, обусловлена присутствием в их молекулах многочисленных полярных спиртовых групп.
Вещества со слабополярными молекулами, например, жирные кислоты, лучше растворяются в растворителях, молекулы которых также малополярны (эфир) или неполярны (бензол).
Молекулы, включающие большое количество неполярных углеводородных группировок (фенол), не способны «притягивать» к себе значительное количество молекул воды. В результате их взаимная растворимость ограничена, что ведет к расслаиванию указанных веществ. Вследствие своей полярности вода растворяет или диспергирует очень многие вещества. Она является гораздо лучшим растворителем, чем большинство общеизвестных жидкостей. Многие кристаллические соли и другие полярные соединения легко растворяются в воде, но почти нерастворимы в неполярных жидкостях. Второй обширный класс веществ, хорошо растворимых в воде, включает неионные, но полярные соединения, такие как спирты, сахара, альдегиды, кетоны и др.
Вода является слабым электролитом и диссоциирует на ион водорода и гидроксила незначительно:
Константа диссоциации равновесия К выражается следующим образом:
,где С – концентрация.
Учитывая, что степень диссоциации воды при температуре 25 ºС очень мала, можно концентрацию недиссоциированных молекул воды принять за величину постоянную. Тогда, преобразовав уравнение, получим в левой части произведение двух постоянных величин, т.е. тоже величину постоянную:
Постоянная Кв называется ионным произведением воды. Численное значение постоянной Кв можно определить, зная, что концентрация Своды составляет 55,56 моль/л, а константа диссоциации К – 1,8×10-9. Таким образом, ионное произведение чистой воды при температуре
25 ºС равно 1,008×10-14 г-ион/л. Концентрации ионов Н+ и ОН- равны и составляют 1×10-7 г-ион/литр.
В кислых или щелочных растворах эти концентрации не равны друг другу, но изменяются сопряженно: при увеличении одной концентрации соответственно уменьшается другая. Например: если величина
составляет 1×10-4, то концентрация ионов ОН- соответственно 
= 1×10-10. Их произведение всегда составляет 1×10-14 г-ион/л.Реакция среды будет кислой, если концентрация ионов Н+ превышает концентрацию ионов ОН-. Количественно реакцию среды выражают через активность (концентрацию) водородных ионов. На практике используют водородный показатель рН. Он определяется общей формулой
.Водородным показателем называют величину, численно равную отрицательному десятичному логарифму активности (концентрации) водородных ионов, выраженную в г-ионах/литр.
Для чистой воды рН = 7,0, для кислых растворов рН < 7,0, для щелочных рН > 7,0. Логарифмируя ионное произведение воды, находим
; 
.Беря логарифм с обратным знаком, получим:
.Следовательно, величины рН и рОН являются сопряженными величинами. Их сумма для разбавленных растворов всегда равна 14. Зная величину рН, легко вычислить значение рОН:
и наоборот
.Таким образом, в нейтральной среде концентрация
и водородный показатель 
.В кислых растворах рН имеет меньшее, а в щелочных большее значение, так как благодаря перемене знака логарифма возрастает числовое значение рН соответственно убывающей концентрации ионов Н+.
Постоянство концентрации водородных ионов является одной из основных констант внутренней среды организма. Так, рН крови человека и большинства сельскохозяйственных животных колеблется в пределах от 7,20 до 7,40.
Активность разнообразных биологических катализаторов (ферментов), а также специфика происходящих в тканях биохимических процессов связаны с ограниченными зонами значений рН. Например, пепсин желудочного сока активен при значениях рН от 1,5 до 2,5, каталаза крови при рН=7,0; тканевые катепсины в нейтральной среде катализируют синтез белка, при кислой реакции активизируют его расщепление.
Смещение реакции среды в живом организме в кислую сторону называется ацидозом, а в щелочную – алкалозом. Изменение рН крови на несколько десятых долей приводит к серьезным нарушениям жизнедеятельности организма. Определение рН в ряде случаев помогает судить о характере протекающих в организме патологических процессов. В связи с этим часто приходится определять рН в различных биологических жидкостях (крови, моче), что иногда представляет довольно сложную задачу.
Определение реакции среды и знание концентрации водородных ионов в биологических объектах часто является необходимым в лабораторной практике. Эти определения нужны, например, для создания желаемой реакции среды при проведении многих биохимических и микробиологических экспериментов. Так, при работе с микроорганизмами, с культурами тканей, при определении ферментативной активности одним из основных условий является создание необходимой реакции среды.
В технической биохимии (сыроварении, хлебопечении, изготовлении кож, чая, табака и др.) также очень важно создание определенной реакции среды для обеспечения правильного течения ферментативных реакций. Различные растворы очень сильно различаются по реакции среды. Значения рН некоторых растворов представлены в таблице 1.
Таблица 1 – Значения водородного показателя некоторых веществ
и растворов
| Раствор | Значение рН |
| 1Н NaOH | 14,0 |
| Отбеливатель | 13,0 |
| Нашатырный спирт | 12,0 |
| Сода питьевая | 9,0 |
| Морская вода | 8,0 |
| Молоко | 6,5–7,0 |
| Черный кофе | 5,0 |
| Пиво | 4,5 |
| Томатный сок, красное вино | 3,5–4,0 |
| Кока-кола | 3,0 |
| Уксус пищевой | 3,0 |
| Лимонный сок | 2,0 |
| Желудочный сок | 1,0–1,5 |
| 1Н НСl | 0,0 |
На практике определение рН осуществляют различными методами. Это электрометрический метод, колориметрический (буферный и безбуферный), определение рН с помощью различных индикаторов.