Қышқылдар, негіздер және рН көрсеткіші туралы

Көптеген маңызды қосылыстардың биохимиялық сипаттамасы олардың қышқылдық-негіздік қасиеттеріне байланысты болып табылады. Қышқылдар мен негіздер дегеніміз не? Биологиялық тұрғыдан анықтама берер болсақ, қышқыл дегеніміз — сутегінің (протон) доноры қызметін атқаратын молекула. Ал негіз дегеніміз — сутегі қабылдаушы немесе протонның акцепторы рөлін атқаратын молеку- ла. Қышқылдардың немесе негіздердің протондарды оңай беріп, оңай алуы белгілі — бір қосылыстың химиялық табиғатына байланысты болып табылады. Мысалы, қышқылдардың суда диссоциациялану (иондарға ыдырау) дәрежесіне байланысты, олар суда толық диссоциацияға ұшырайтын күшті қышқылдармен қатар, мүлде диссоциацияланбайтын әлсіз қышқылдар да, сондай-ақ орташа диссоциацияланатын түрлері де кездеседі.

Химияның негізгі заңдылықтары тіршілікке қалай әсер етеді: сутектік байланыстың маңызы Биохимия саласының әйгілі мамандары тіршіліктің эволюциялыкдамуында негізгі рөл аткарған сутектік байланыс деп тұжырымдайды. Жер шарынан тыс аймақтарда тіршілік түрлерін іздеу үшін көрсеткіш ретінде болатын кұбылыстардың бірі стереохимия және көміртегі мен полимерлер бо- лып табылады. Жалғыз, бір ғана сутектік байланыс (Н байланыс) өте әлсіз болғанмен, көптеген сутектік байланыстар біріккен жағдайда өте күшті қуаттың түзілетіні белгілі. Шын мәнінде, суға тән ерекше касиеттердің барлығы (балқу және кайнау температураларының жоғары болуы, мұз күйінде және сұйык түрінде тығыздығының әртүрлі болуы, еріткіш қасиеті) судағы әрбір молекуланың көптеген сутектік байланыстар түзу кабілетінің нәтижесінде пайда болған. Егер немесе С1 сияқгы карапайым иондардың ерігіштігін есепке алсақ, су өзінің полярлығына байланысты аталған иондарға қарай тартылатыны анык. Сонымен бірге, еріген иондарды қоршап алатын су молекулала- ры бір-бірімен өзара сутектік байланыс түзе бастайды. Әдетте әрбір еріген ион 20 немесе одан да көп су молекулаларының шоғырымен коршалып жатады. Егер де біз глицеральдегид секілді қарапайым биомолекуланы қарастыратын болсақ, молекуланың құрылысы сутектік байланыстан басталады. Кем дегенде сегіз су молекуласы глицеральдегидпен тікелей байланысқа түседі, бұл сегіз молекула, өз кезегінде көптеген басқа су молекулаларымен байланысқа түседі. Полимерлердің пішіні сутектік байланыстардың орналасу реттілігі мен қайталану жолына байланысты қалыптасады. р-қатпарлы пептидтер мен целлюлозаның кеңістіктегі құрылымдары мен олардың ішкітізбекті сутектік бай- ланыстары өте берік талшықгардың түзілуіне мүмкіндік береді. Ал а-тізбекті акуыздар мен бір тізбектен тұратын биомолекулалардын (крахмал сияқгы) құрылысын тізбекаралык сутектік байла- ныстар ұстап тұрады. Коллаген және ДНҚсияқгы үш немесе екі тізбектен тұратын кұрылымдардың тізбектері (коллагенде үш, ал ДНҚ-да екі тізбек) өзаралық сутекті байланыстан тұрады. Коллаген косымша гидроксил тобы бар бірнеше аминқышқылдарынан тұрады. Гидроксил топтары косымша сугектік байланыстардың түзілуіне мүмкіндік береді, ал сутектік байланыстар құрылымның тұрақгылығын қамтамасыз етеді. Генетикалық ақпараттың ұрпақган ұрпаққа берілуінде сутектік байланыстын рөлі үлкен. Өйткені, ДНҚ-ның қос тізбегінің комплементарлы болуын камтамасыз ететін сутектік байланыстар болып табылады. Генетикалық кодтың табиғаты бір жағынан кайталанбас арнайы бола отырып, екінші жағынан өзгеріске бейім келуі сутектік байланыстын нәтижесі болып табылады. Расында да, генетикалық мутация тудыратын қосылыстардын көпшілігі сутектік байланыстардың орнын басу арқылы әсер етеді. Мысалы, дәрігерлердің ұшык (немесе ерін мен ауыз куысын жаралайтын герпес) коздырғышына карсы фторурацилді жазып беруі, бұл қосылыстың герпес вирусында мутация тудыра алуына негізделген

Қышқылдың күштілігін сандықтүрде өлшеу, тәжірибелік тұрғыдан алғанда тиімді болып табылады. Қышқылдың күші қышқылдың белгілі бір мөлшері су- да еріген жағдайда, бөлініп шыққан бос сутегі иондарының мөлшеріне тең бо- лып табылады. Қышқылдың диссоциациялану константасы ұғымы немесе Акез келген қышқыл үшін НА деп жазылады. Ол келесі теңдеуге сәйкес ыдырайды: НА ^ Н + + А» қышқыл байланысатын негіз „ [Н +][А-] ^ [н а ] Мұндағы, тік жақша мольдік концентрацияны білдіреді, яғни, бір литрге шаққандағы мольдік көрсеткіші. Берілген температурадағы /Гсандық мөлшері әрбір қышқыл үшін тұрақты бір шамаға тең болып келеді. Қышқыл неғұрлым толық диссоциацияға ұшыраса, бұл көрсеткіш соғұрлым жоғарылайды; соны- мен, А^көрсеткіші жоғары болған сайын, қышқылдың күштілігі артып отырады. Тікелей айтқанда, бұған дейін көрсетілген қышқыл-негіз реакциясын про- тонды тасымалдау реакциясы деуге де болады, ондағы су негіз және еріткіш ретінде әрекеттеседі. Реакция теңдеуінің толық түрде дұрыс жазылуы мынадай: НА(а^) + Н 20 (€ ) ^ Н эО +(ая) + А~(ая) қышқыл негіз НгОарқылы НА арқылы байланысқан қышқыл байланыскан негіз 2.10-СУРЕТ. Судың иондалуы Мұндағы, (ая) белгісі сулы ерітіндідегі еріген заттарды білдіреді, ал (I) сұйық күйдегі су болып табылады. Ерітіндіде «жалаңаш протондар» (бос сутегі иондары) болмайтыны толық дәлелденген. Бірақ сулы ерітіндідегі ги- ® дроксоний ионының (Н30 +) сутегі ио- нымен гидратациялану дәрежесі жете бағаланбайды. Сулы ерітіндідегі барлық еріген заттар айтарлықтай дәрежеде гидратацияланады. Төменде қышқылдың диссоциациялануының қысқа түрдегі қарапайым теңдеуі талқыланады, ондағы судың атқаратын рөлін есте сақтаған жөн. рН көрсеткіші дегеніміз не? Судың қышқыл-негіздік қасиеттері биологиялық үрдістерде маңызды орын алады, себебі, судың негізгі рөлі — оның еріткіш тігінде. Судың сутегі ионы- на және гидроксид ионына өздігінен диссоциациялануының дәрежесі төмен,

бұл көрсеткіш көптеген еріген заттардың маңызды қасиеттерін амтамасыз етеді (2.10-сурет). Н 20 ^ Н+ + О Н “ Сулы ерітіндідегі барлық иондар секілді сутегі ионы (Н+) мен гидроксид ио- ы (ОН) да судың бірқатар молекулаларымен ассоциацияланады (бірігеді) және з тепе-теңдік күйдегі су молекуласы көптеген молекулалар кластерімен бай- Іанысып, олардың қүрамдас бөлігі болып табылады (2.11-сурет). Судың дис- эциациялану дәрежесін сандық мөлшерде бағалау немесе өлшеу өте маңызды олып табылады. Ендеше, келесі теңдеуден бастауымызға болады: [н+][он~] ^ [н2о] Судың мольдік концентрациясы [Н20], түрақты болып табылады және оның эіген заттардың концентрациясымен салыстырғанда айырмашылығы бар. удың мольдік концентрациясының сандық мөлшері 55.5 М тең, ол 1 л судың эаммен алғандағы мөлшерін (1000 г.) судың молекулалық салмағына (18 г/ оль) бөлу арқылы алынады; 1000/18 5= 55.5 М. Демек, [Н + ][О Н -] ^ [н2о] Мүндағы, — судағы иондардың тұрақты константасы, жоғарыдағы іықтамаға сәйкес, судың концентрациясы оның мөлшерінен тұрады. Тәжірибе жүзінде, К^ сандық көрсеткішін сутегі иондарының судағы өлшерін өлшеу арқылы анықтауға болады. Сутегі ионының концентрация- л гидроксид ионының концентрациясына тең, себебі су — монопротонды ышқыл, яғни, әрбір молекула бір протон ғана бөледі. Судағы температура эрсеткіші 25 °С болған жағдайда, I [Н +] = 10~7 М = [ОН ] элады. Демек, 25 °С температурада К^сайдық мөлшерін келесі теңдеумен эрсетуге болады: Қ , = [Н +][О Н “] = (10~7)(10″7) = 10“ 14 Судың иондық константасының бұл теңдеулік қатынасы кез келген су- | ерітіндіге (бейтарап, қышқыл немесе негіз ерітіндісі болса да) тән болып Уіеді. Сулы ерітіндідегі сутегі және гидроксид иондарының концентрациясын ундай экспоненциалдық жүйе арқылы көрсеткеннен, сандық мөлшерде

Теңдеу кез келген әлсіз қышқылдың Ка мен оны ң е р іт ін д і к ү й д е г і (қышқылдан және оған үйлескен негізден тұратын) рН м әнін байланы сты — рады. Бр қатынас биохимия саласында, әсіресе, реакцияның ж үруіне қаж ет жағдайды тудыру үшін рН мәнін бақылап отыру қажет болған уақытта кеңінен қолданылады. Бірқатар реакциялар егер де рН мәні қолайлы көрсеткіш тен ауытқып отырса жүрмейді. Маңызды биологиялық макромолекулалар рН мәні төтенше болған жағдайда белсенділігін жоғалтады. 2.12-суретте үш ферменттің белсенділігіне рН мәні қалай ықпал ететіні көрсетілген. Ә р ферменттің өзіне тән белсенділік нүктесінің шыңы бар екендігіне ж ән е рН мәні қолайлы көрсеткіштен ауытқыған жағдайда, оның бірден төм ендейтініне назар аударыңыз. Сонымен қатар, жалпы организмнің рН мәні ауытқу салда- рынан айтарлықтай физиологиялық бұзылыстар болуы мүмкін. 2.5-секц и яда рН мәнін қалай бақылауға болатыны туралы көбірек мәліметтер бар. Теңдеулік қатынасты шығарып алу үшін, алғаш Ка теңдеуінің екі жағын да логариф мдік жүйеге келтіру қажет.

көрсеткен ыңғайлы болып табылады. Сутегі иондарының сандық мөлшердегі көрсеткіші рН деп аталады және ол ондық логарифм арқылы анықталады: рН = — 1од10 [Н+] Логарифмдік жүйе бойынша, бір рН бірлігі он еселенген көрсеткішті білдіретіндігіне назар аударыңыз, яғни, [Н+] немесе сутегі ионының концентрациясындағы айырмашылық бір бірлікті құраса, оның логарифмдік мәні он есе жоғары болады деген сөз. Кейбір әдеттегі сулы ерітінділердің рН мөлшерін қарапайым калькуляция жолымен анықтауға болады. БІЛІМДІ ТӘЖІРИБЕДЕ ҚОЛДАНУ рН есептеу Кейбір тарауларда тақырыпқа сәйкес осындай төжірибелік мәні бар жұмыстар беріледі. Бул білімді тәжірибе жузінде қолдануға мумкіндік береді. Судың [Н+] = 1 х10 7 М, ал рН=7.0, сіз келесі сулы ерітінділердің рН мәнін есептеп шығаруыңызға болады: а. ТхІО-3 МНСІ ә.иМРММаОН Судың өздігінен иондалу қасиеті гидроксоний және гидроксид иондарының концентрация- сына шамалы ықпал етуі мүмкін. Егер де сулы ерітінді шектен тыс суйылтылған болмаса аталған иондар көрсеткіші әдетте дурыс болады. Шешуі Берілген мәселені шешудің негізгі жолы — рН мәнін анықтау, сондай ақ екінші мысалда судың өздігінен диссоциациялануын есепке алу болып табылады. а.1х10~3 МНСІ ушін: [Н30+] = 1х1СҺ3 М; сондықтан, рН =3. ә. 1×10-4 м №0Н үшін: [ОНі = 1×10^ М; [0Н-] [Н30+] = 1х10’14 болғандықтан, [Н30+] = 1×10″’° М, сонымен, рН =10. Егер де ерітіндінің рН мәні 7 болса, онда ол су сияқты бейтарап ерітінді. Қышқыл ерітінділердің рН көрсеткіші 7-ден төмен болады, ал негіздік ерітінділердің рН мәні 7-ден жоғары болып келеді. Биохимияда кездесетін қышқылдардың көпшілігі әлсіз қышқылдар қатарына жатады. Олардың Ка мәні 1-ден төмен. Теріс экспоненциалды үлкен мәндерді қолдану ыңғайсыз болғандықтан, рН анықтау әдісіне ұқсас, рКа — сандық көрсеткіші енгізілген: Р*а = -Іодіо К рКа мәні қышқылдың күштілігін сандық мөлшерде өлшеудің әлдеқайда қолайлы жолы болып табылады. рКа көрсеткіші төмен болған сайын, қышқылдың күші жоғары деген сөз. Бұл Ка көрсеткішінің мәнімен салыс- тырғанда кері мағынаны білдіреді. Өйткені, Кд мөлшері жоғары болған сайын қышқылдың күші де жоғары деген сөз (2.6-сурет). Биохимия 83 Біз үшін рН мәнін білу неліктен қажет? Теңдеу кез келген әлсіз қышқылдың Ка мен оның ер ітін ді к ү й д егі (қышқылдан және оған үйлескен негізден тұратын) рН мәнін байланы сты — рады. Бүл қатынас биохимия саласында, әсіресе, реакцияның жүруіне қажет жағдайдытудыру үшін рН мәнін бақылап отыру қажет болған уақытта кеңінен қолданылады. Бірқатар реакциялар егер де рН мәні қолайлы көрсеткіш тен ауытқып отырса жүрмейді. Маңызды биологиялық макромолекулалар рН мәні төтенше болған жағдайда белсенділігін жоғалтады. 2.12-суретте үш ферменттің белсенділігіне рН мәні қалай ықпал ететіні көрсетілген. Әр ферменттің өзіне тән белсенділік нүктесінің шыңы бар екендігіне ж ән е рН мәні қолайлы көрсеткіштен ауытқыған жағдайда, оның бірден төмендейтініне назар аударыңыз. Сонымен қатар, жалпы организмнің рН мәні ауытқу салда- рынан айтарлықтай физиологиялық бұзылыстар болуы мүмкін. 2.5-секцияда рН мәнін қалай бақылауға болатыны туралы көбірек мәліметтер бар. Теңдеулік қатынасты шығарып алу үшін, алғаш Ка теңдеуінің екі жағын да логарифмдік жүйеге келтіру қажет.

2.5-секцияда буферлерді талқылау бары- сы нда, қышқыл концентрациясы [НА] ж әне оны ң н егізбен үйлескен концен- трациясы [А ] тең болған жағдайды, яғни [НА] = [А ] қарасты рамы з. Олай бол- са, [А ] / [НА] қатынасы 1-ге тең, ал 1-дің логарифмдік м әні нөлге тең. Соны мен, ерітіндіде әлсіз қышқыл мен оның негізбен үйлескен концентрациясы бірдей болған жағдайда, мұндай ерітіндінін рН мәні әлсіз кышқылдың р К көрсеткішіне тең болады.