Вода, ионы и буферы: как клетки не дают нам «раствориться»

Вода — основа жизни, а pH — ключевой параметр биохимических процессов. Сегодня мы разберем:

• Почему вода уникальна.
• Что такое pH и как его рассчитывают.
• Что такое буферы и как pH влияет на белки, ферменты и работу клетки.

Вода — универсальный растворитель

Свойства воды (про которые спросят на коллоке)

1. Полярность

• Молекула воды (H₂O) имеет частичный заряд: у кислорода (–δ), у водородов (+δ).
• Благодаря этому вода растворяет ионные (соль) и полярные (сахара) вещества.

2. Водородные связи

• Водород одной молекулы притягивается к кислороду другой.
• Образуют сеть, которая: 1) делает воду жидкой при комнатной температуре. 2) обеспечивает высокую теплоёмкость (то есть вода медленно нагревается и остывает).

3. Гидрофильные и гидрофобные вещества

• Гидрофильные (сахара, аминокислоты) — растворяются в воде.
• Гидрофобные (жиры, мембраны) — не растворяются, образуют капли.

pH: что это и как считается

pH — это мера кислотности раствора, равная отрицательному десятичному логарифму концентрации ионов H⁺:

pH = −log[H⁺]

• pH < 7 — кислая среда (лимонный сок, желудочный сок).
• pH = 7 — нейтральная (чистая вода без примесей).
• pH > 7 — щелочная (мыло, кровь).

Пример расчета:

Если [H⁺] = 10^-5, то pH = −log(10^-5) = 5

Буферные системы: как клетка поддерживает pH

Буферы — это растворы, которые сопротивляются изменению pH при добавлении кислоты или щелочи.

Основные буферные системы организма

1. Бикарбонатная система (кровь, pH ~7.4) — борется с кислотами:

CO₂ + H₂O ↔ H₂CO₃ ↔ H⁺ + HCO₃-

• При избытке H⁺ (ацидоз): H⁺ + HCO₃⁻ → H₂CO₃ → CO₂ + H₂O (выводится лёгкими).
• При недостатке H⁺ (алкалоз): CO₂ + H₂O → H₂CO₃ → H⁺ + HCO₃⁻.

2. Фосфатная система (внутри клеток, почки) — помогает в образовании мочи:

H₂PO_4- ↔ H⁺ + HPO_4 ^2-

3. Белковые буферы (гемоглобин, альбумин) — ловит CO₂:

• Работают благодаря амфотерным свойствам белков: свободные СООН^- группы придают белкам кислотные свойства, а NH₂ — щёлочные
• Например, гемоглобиновый буфер функционирует в эритроцитах и состоит из гемоглобина (по химическим свойствам это слабая органическая кислота) и калиевой соли гемоглобина

Разберём механизм работы буферной системы на примере бикарбонатной:

Буфер состоит из слабых кислот и их солей (например, угольная кислота H₂CO₃ + бикарбонат NaHCO₃).

1. Если в кровь попадает кислота (H⁺):

• Буфер "ловит" лишние ионы водорода (H⁺) и связывает их: H⁺ + HCO₃⁻ → H₂CO₃
• Угольная кислота слабая, поэтому pH почти не меняется.

2. Если в кровь попадает щелочь (OH⁻):

• Буфер "отдает" ионы H⁺, чтобы нейтрализовать OH⁻: OH⁻ + H₂CO₃ → HCO₃⁻ + H₂O  
• Вода (H₂O) нейтральна, pH снова не скачет.

Как pH влияет на белки и ферменты

Денатурация белков

• При экстремальном pH (например, pH < 3 или pH > 9) водородные и ионные связи в белках разрушаются → белок теряет структуру и функцию.
• Пример: яичный белок при варке (денатурация при нагревании и изменении pH).

Активность ферментов

Каждый фермент работает в оптимальном pH:

• Пепсин (в желудочном соке) — pH ~2.
• Трипсин (в кишечном соке) — pH ~8.
• Ферменты крови — pH ~7.4.

При отклонении от оптимального pH фермент теряет активность.

Нарушения pH в организме

Краткие выводы:

1. Вода — уникальный растворитель благодаря полярности и водородным связям.
2. pH определяет заряд молекул и работу ферментов.
3. Клетки поддерживают pH с помощью буферных систем.

Даже небольшое изменение pH может нарушить метаболизм. Вот, почему биологические системы так строго его контролируют!

А если хотите ещё больше узнать о свойствах ферментов, переходите к нашему курсу по биохимии. 

Читайте также о сравнении белков растительного и животного происхождения.