2.5.3. Биологическая роль рН

 

Концентрации водородного и гидроксильного ионов имеют важное значение для биологических систем, поскольку протоны могут свободно покидать ионы Н₃О⁺ и присоединяться к отрицательно заряженным группам, тем самым нейтрализуя их, а гидроксильные ионы способны нейтрализовать положительно заряженные группы. Такая возможность нейтрализации особенно важна для аминокислот и белков, в которых имеются и карбоксильные (—СООН), и амино–(—NН₂) группы. Аминокислоты в растворах обычно находятся в биполярной форме, которая называется цвиттерионом:

 

NH2              R – С – СООН              H

 

 Недиссоциированная молекула

 

 

		NH3+
		
R		C		COO¯
		
		H

 

 

Цвиттерион

 

Заметим, что при определенном значении рН раствора (в так называемой изоэлектрической точке) результирующий заряд молекул аминокислоты, которые могут быть при этом как в недиссоциированной форме, так и в виде цвиттериона, равен нулю. При повышении кислотности раствора концентрация Н⁺ увеличится. В результате вероятность нейтрализации протоном карбоксильной группы будет больше, чем вероятность захвата гидроксильным ионом лишнего протона с аминогруппы. Значительная доля молекул этой аминокислоты будет обладать, следовательно, положительным результирующим зарядом:

 

 

NH3+

NH3 +





R



C



COO¯

+

H+



R

–

С

–

СООН





H

H

 

 

 

 

 

Повышение рН приведет, естественно, к противоположному результату. Каждый вид цвиттериона имеет свою характеристическую изоэлектрическую точку, т. е. такое значение рН, при котором его полный заряд (статистически усредненный) равен нулю. Ряд аминокислот не имеет никаких других амфотерных групп, кроме групп —СООН и —NH₃, которые участвуют в образовании пептидных связей. Другие аминокислоты, однако, имеют дополнительные боковые карбоксильные или аминогруппы, которые могут проявлять кислотные или основные свойства. Диссоциирующие боковые группы в макромолекуле определяют в значительной мере ее электрические свойства и обусловливают ее чувствительность к рН среды. Эта чувствительность наиболее ярко проявляется в изменении свойств активного центра фермента. Связывание субстрата активным центром фермента обычно включает электростатические взаимодействия, поэтому образование фермент–субстратного комплекса является в высшей степени рН–зависимым процессом, и существует оптимальный рН, при котором вероятность его образования максимальна.