Деннис Тейлор – Биология. В 3-х томах. Т. 1 (страница 87)

Ниже перечислены характерные свойства кислот.

1. Многие кислоты реагируют с такими реакционноспособными металлами, как цинк или магний, что сопровождается выделением водорода.

2. Кислоты нейтрализуются основаниями, в результате чего образуются соли этих кислот и вода.

3. Почти все кислоты реагируют с карбонатами, что сопровождается выделением диоксида углерода.

4. В разбавленных растворах кислоты имеют кислый вкус, например этановая (уксусная) кислота.

5. Растворы кислот дают характерное окрашивание с индикаторами; например, синяя лакмусовая бумага окрашивается под. действием кислоты в красный цвет.

Основанием называется вещество, которое реагирует с кислотой, образуя соль и воду (по-другому основание можно определить как вещество, способное служить акцептором протонов). Большинство оснований в воде не растворяется. Растворимые основания дают растворы, которые называются щелочами. К ним относятся, например, гидроксид натрия, гидроксид кальция и гидроксид аммония. Ниже перечислены другие характерные свойства оснований.

1. Основания обычно плохо взаимодействуют с металлами.

2. Основания реагируют с водными растворами солей большинства металлов; при этом в осадок выпадает нерастворимый гидроксид.

3. При реакции оснований с солями аммония выделяется аммиак.

4. Растворы оснований дают характерное окрашивание с индикаторами; например, красная лакмусовая бумага окрашивается под действием оснований в синий цвет.

Соль — это соединение, образующееся в результате полного или частичного замещения атомов водорода кислоты металлом. Примером может служить хлорид натрия, в котором атом водорода хлористоводородной (соляной) кислоты замещен атомом натрия. При растворении соли в воде составляющие ее ионы диссоциируют, т. е. превращаются в свободные ионы, отделенные друг от друга молекулами воды.

Шкала рН

Кислотность или щелочность раствора определяется концентрацией ионов водорода в этом растворе. Эту концентрацию выражают через рН раствора (р указывает на определенную математическую операцию; Н — символ водорода); рН есть десятичный логарифм величины, обратной концентрации ионов водорода. В одном кубическом дециметре (1 л) чистой воды содержится 1·10^-7 моль ионов водорода. Следовательно, для воды величина рН равна log(l/10⁷)=7.

Эта величина (рН 7,0) характеризует нейтральный раствор (при комнатной температуре). Значения ниже 7,0 указывают на кислый раствор, а выше 7,0 — на щелочной.

Шкала рН охватывает пределы приблизительно от -1 до 15 (по большей части 0-14). Это логарифмическая шкала, так что изменение на одну единицу рН соответствует десятикратному изменению концентрации ионов водорода.

Для клеток и тканей требуется рН около 7,0 и отклонения от этой величины более чем на одну или две единицы сказываются на них губительно. Следовательно, для поддержания рН жидкостей тела на более или менее постоянном уровне существуют определенные механизмы. Частично это достигается при помощи буферов.

Буферы

Буферный раствор — это раствор, содержащий смесь какой-либо слабой кислоты и ее растворимой соли. Действие его заключается в том, чтобы противостоять изменениям рН. Такого рода изменения могут возникать вследствие разбавления, а также при добавлении кислоты или соли.

Когда кислотность (концентрация ионов водорода) возрастает, свободные анионы, источником которых служит соль, легче соединяются со свободными ионами водорода и удаляют их из раствора. Когда кислотность снижается, усиливается тенденция к высвобождению ионов водорода. Таким образом, буферный раствор поддерживает постоянную, сбалансированную концентрацию ионов водорода. Поясним это на примере:

Некоторые органические соединения, в частности белки, способны действовать как буферы; это их качество особенно важно для крови.

П.1.2. Окисление и восстановление

Все биологические процессы связаны с потреблением энергии, поэтому биологам приходится изучать различные реакции, способные служить источником этой энергии. Реакции, при которых энергия выделяется, называются экзотермическими или экзергоническими, а реакции, в которых энергия расходуется, называются эндотермическими или эндергоническими. Процессы синтеза (анаболические процессы) принадлежат к эндергоническим (примером может служить фотосинтез), а процессы распада (катаболические процессы) — к экзергоническим (примером может служить дыхание).

Совокупность катаболических и анаболических реакций, протекающих в клетке в любой данный момент, составляет ее метаболизм.

Большую часть необходимой энергии клетка получает за счет окисления питательных веществ в процессе дыхания. Окисление определяют как утрату электронов. Противоположный процесс — присоединение электронов — называется восстановлением. Эти два процесса всегда происходят одновременно: электроны передаются от донора электронов, который таким образом окисляется, к акцептору электронов, который при этом восстанавливается. Реакции этого типа называются окислительно-восстановительными реакциями; в химических процессах, протекающих в биологических системах, они весьма распространены. Существует несколько различных механизмов окисления и восстановления; с ними мы и ознакомимся.

П.1.2.1. Окисление

Окисление данного вещества может происходить непосредственно путем присоединения кислорода к этому веществу, и тогда эту реакцию так и называют — окислением:

Однако самой распространенной формой биологического окисления является отнятие водорода (дегидрирование):

В данном случае А окислилось, а В восстановилось.

В клетке содержится целый ряд веществ, называемых переносчиками водорода, которые действуют, как В в приведенном выше примере. Всякое дегидрирование катализируется специфической дегидрогеназой. Переносчики водорода располагаются в определенной последовательности — таким образом, что уровень их потенциальной энергии (разд. П.1.6.2) снижается от одного конца ряда (того, на котором в процесс включается водород) к другому его концу. Сказанное означает, что всякий раз, когда водородные атомы передаются от одного переносчика к другому, обладающему меньшей потенциальной энергией, этот их переход сопровождается выделением небольшого количества энергии. В определенных случаях эта энергия может запасаться в виде АТФ.

В некоторых реакциях каждый атом водорода (его можно рассматривать как ион водорода, или протон, Н⁺, плюс один отрицательно заряженный электрон, е^-) передается не в виде единого целого. Такой процесс включает только перенос электронов. Например:

Ионы железа(ΙΙ) окисляются до железа(ΙΙΙ) в результате утраты электронов, по одному на каждый ион:

Электроны переносятся на молекулу хлора, которая в результате этого восстанавливается, превращаясь в два хлорид-иона. Так что полное ионное уравнение имеет вид:

Цитохромы, в состав которых входит железо, функционируют в митохондриях, перенося электроны (поступающие от водородных атомов, разделившихся на ионы водорода и электроны) вдоль электронтранспортной цепи. Здесь электроны передаются от менее электроотрицательных атомов к более электроотрицательным. Продукты таких реакций обладают меньшей потенциальной энергией, чем исходные вещества, и количество энергии, соответствующее этой разности, выделяется и используется в той или иной форме. В конце электронтранспортной цепи стоит цитохром, содержащий помимо железа еще и медь, которая непосредственно передает электроны на атмосферный кислород, окисляясь при этом:

П.1.2.2. Восстановление

Восстановление имеет место тогда, когда от какого-нибудь вещества отщепляется молекулярный кислород, когда к веществу присоединяются атомы водорода или когда вещество присоединяет электроны.

П.1.3. Изотопы

Атомы некоторых элементов существуют в нескольких формах. Эти разные формы атома называются его изотопами (iso — тот же самый, topos — место, т. е. занимающие одно и то же место в периодической системе элементов). Все изотопы данного элемента имеют одинаковое число протонов и электронов (один и тот же атомный номер), а значит, и одинаковые химические свойства; различаются же они по числу нейтронов в их ядрах, т. е. имеют разные атомные массы. Для того чтобы изотопы можно было различать, к символу элемента добавляется массовое число; в природе встречаются, например, три изотопа кислорода: ¹⁶О, ¹⁷О и ¹⁸О. Один из изотопов присутствует обычно в большем количестве, чем другие; для кислорода, например, соотношение его изотопов — ¹⁶О:¹⁷О:¹⁸О — равно 99,759%:0,037%:0,204%.

Некоторые комбинации протонов и нейтронов способны в течение длительного времени существовать без изменений. Такие атомные ядра называются стабильными. В других случаях ядра нестабильны, т. е. склонны к распаду с испусканием частиц или излучения. Эти ядра называются радиоактивными. Их легко обнаружить с помощью различных приборов, таких, как счетчики Гейгера — Мюллера, сцинтилляционные счетчики и т. п. С возрастанием атомного номера ядра возрастает и доля нейтронов в ядре, необходимых для того, чтобы оно оставалось стабильным. Ядро урана содержит, например, 92 протона и для стабильности ему требуется 138 нейтронов. Изотопы урана с большим числом нейтронов радиоактивны, их ядра нестабильны.

Скорость распада часто выражают через период полураспада, т. е. время, на протяжении которого распадается в среднем половина всех присутствующих атомов. Например, для изотопа углерода ¹⁴С период полураспада составляет 5570 лет.