Вакуоль. Кислотность, pH и буферы

Вы находитесь: Вакуоль

Кислотность и щелочность. Кислотой называют вещество, способное отдавать протон (Н+), а основанием - вещество, способное его присоединять. Если добавить к какой-либо водной системе кислоту, то концентрация протонов в системе повысится; если же добавить основание, то оно будет присоединять протоны и тем самым снижать их концентрацию. Это в свою очередь приведет к возрастанию концентрации ионов ОН, потому что при диссоциации воды между Н+, ОН- и Н2О поддерживается равновесие.

Таким образом, в водных системах кислотность=[Н+], а щелочность=[ОН-] (квадратные скобки означают здесь концентрацию в грамм-атомах или грамм-молекулах на литр, т. е. молярность раствора). В водных растворах [Н+]Х[ОН-]=10-14. Поскольку [Н+] и [ОН-] связаны обратно пропорциональной зависимостью, мы можем, зная [Н+], определить [ОН-]. В нейтральном растворе (с равными концентрациями ионов водорода и гидроксила) [Н+] =[ОН-]=10-7 М.

рН. Кислотность клеточного сока колеблется у растений от 10-1 до 10-7 М, т. е. может различаться в миллион раз. При таком большом диапазоне различий для удобства приходится выражать кислотность в логарифмической шкале, через десятичный логарифм концентрации водородных ионов (выраженной в моль/л), взятый с обратным знаком. Для этой величины принято обозначение рН:

Следовательно, если [Н+]= 10-хМ, то рН=х. Соответственно снижение рН на одну единицу означает десятикратное увеличение кислотности, а повышение на одну единицу - десятикратное ее уменьшение.

Кислотность для растений очень важна, и в частности важна для их роста. Оптимальный для деятельности ферментов, диапазон рН крайне узок - обычно ферменты наиболее активны при значениях рН, близких к нейтральному. В цитоплазме поддерживается рН~7 благодаря буферам (см. ниже), а также насосам, перекачивающим ионы Н+ в вакуоль или из вакуоли. Вакуоль у растений служит резервуаром для органических кислот, поэтому рН ее содержимого колеблется обычно в пределах 3,5-5,5; однако в клетках некоторых плодов рН вакуолярного сока равен 1,0. Активность АТР-генерирующих систем в хлоропластах и митохондриях зависит от разности рН между двумя сторонами мембраны, окружающей органеллу.

Когда биохимики выделяют какие-нибудь органеллы или вещества из растительных клеток, они всегда следят за тем, чтобы экстрагирующая среда была соответствующим образом забуфе-рена (обычно в пределах рН 6-8), т. е. чтобы содержащиеся в клеточных вакуолях кислоты были нейтрализованы, так как в противном случае может произойти денатурация клеточных ферментов. Рост растений в большой степени зависит от рН почвенного раствора, главным образом потому, что именно рН определяет доступность находящихся в почве питательных веществ, а крайние значения рН могут обусловливать также и токсические эффекты (оптимальным для роста оказывается обычно рН, близкий к нейтральному; см. гл. 7 и 14).

Титруемая кислотность. Истинную кислотность растительного сока выражают через концентрацию водородных ионов, а титруемую кислотность определяют по количеству щелочи, расходуемой на нейтрализацию сока (на доведение его рН до 7). Предсказать титруемую кислотность по концентрации водородных ионов невозможно, потому что в растительном соке содержатся слабые кислоты, у которых степень диссоциации мала. Истинная кислотность равна титруемой лишь в том случае, если кислота полностью диссоциирована, т. е. если это сильная кислота. По определению

При полной диссоциации 1 н. НС1 соответствует рН 0, поскольку -lgl=0. (В действительности, однако, диссоциация не бывает полной и 1,0 н. НС1 соответствует рН 0,10.)

Слабой кислотой называют такую кислоту, у которой диссоциирована лишь небольшая часть молекул. В 1 н. уксусной кислоте (СНзСООН) доля диссоциированных молекул составляет всего 0,42%.

Таким образом, 1 н. СН3СООН, соответствует рН 2,37, поскольку -lg 0,0042=2,37.

Однако, хотя истинная кислотность 1 н. НС1 в 200 с лишним раз выше, чем у 1 н. СНзСООН, на титрование равных объемов этих растворов расходуется одно и то же количество щелочи. Дело в том, что, по мере того как щелочь связывает ионы Н+ в растворе уксусной кислоты, часть ранее недиссоции-рованных молекул уксусной кислоты диссоциирует, так что общее количество диссоциированной формы все время поддерживается на уровне .0,42%, Иными словами, количество ионов Н+ в растворе непрерывно пополняется, пока все потенциально присутствовавшие в :нем доны Н+ не будут связаны щелочью.

Буферы. В растительных клетках содержатся так называемые буферы - смеси веществ, способные поддерживать рН на постоянном уровне. У слабой кислоты почти все ее титруемые водородные ионы присутствуют в виде потенциальных ионов Н+. Поэтому если приготовить смесь из такой кислоты и какой-нибудь ее соли, то даже при добавлении больших количеств Н+- или ОН~-ионов рН среды будет оставаться практически постоянным. Подобную смесь называют 'буфером' за ее способность предотвращать изменения рН. Для слабой кислоты НА (где А означает любой анион, например ацетат)

В состоянии равновесия отношение между недиссоциированными молекулами и ионами остается постоянным; у слабой кислоты оно может быть, например, равно 9НА: 1Н+ : 1А-. С добавлением того или иного основания равновесие нарушается, так как вводятся ОН--ионы, связывающие ионы Н+. Однако характерное для равновесия отношение немедленно снова восстанавливается благодаря диссоциации некоторой части молекул НА, запас которых очень велик; поэтому концентрация водородных ионов [Н+] остается практически неизменной.

Для того чтобы рН не менялся также и при добавлении ионов Н+, буфер должен иметь еще и резерв анионов (А-). С этой целью к нему добавляют соль слабой кислоты, диссоциирующуюся в высокой степени; для NaA, например, отношение недиссоциированных молекул к ионам может быть равно 1 NaA:9Na+: : 9 А-. Когда кислоту и соль смешивают, устанавливается новое равновесие, но содержание недиссоциированных молекул НА (источник ионов Н+, способных соединяться с ОН--ионами) и анионов А- (способных соединяться с ионами Н+) остается высоким. При равных количествах кислоты и соли рН будет поддерживаться на постоянном уровне. Если, например, добавить одну каплю концентрированной НС1 к 1 л воды, то это снизит рН на 3,7 ед; но если то же количество НО добавить к 1 л буфера, состоящего из 0,1 н. слабой кислоты и ее соли, то добавление НС1 практически вообще не окажет влияния на рН. Именно таким образом забуферено содержимое клеточных вакуолей: в нем присутствуют органические кислоты, например лимонная или яблочная, и одновременно соли этих кислот.

Буферы в протоплазме. В протоплазме главными буферами служат белки и аминокислоты, потому что суммарный заряд аминокислот может быть как положительным, так и отрицательным, в зависимости от рН. Добавляемые ионы Н+ присоединяются к карбоксильным группам молекулы, а добавляемые ионы ОН- соединяются с ионами Н+, отщепляющимися от ее аминогрупп. Для того чтобы представить себе это, следует обратиться к общей формуле аминокислот, изображенной на рис. 2.12.