REKLAMA


 

REKLAMA


 

Mitochondria – komórkowe elektrownie – mają objętość około 1fL. Czy w ich przypadku pH ma sens? Mitochondria – komórkowe elektrownie – mają objętość około 1fL. Czy w ich przypadku pH ma sens? obsciences. aum.edu

Każdy zna i intuicyjnie rozumie pojęcie kwasowości. Wszyscy słyszeliśmy o pikantnym jedzeniu, aromatycznych napojach czy „kwaśnych deszczach”. Jednak znaczenie chemiczne tego pojęcia nie jest tak oczywiste


Kurowska_Ewa

Autorką tekstu jest Ewa Kurowska
Instytut Biochemii i Biofizyki, Polska Akademia Nauk, Warszawa
e-mail: Ten adres pocztowy jest chroniony przed spamowaniem. Aby go zobaczyć, konieczne jest włączenie w przeglądarce obsługi JavaScript.  

 

Dr Ewa Kurowska jest zainteresowana toksykologią molekularną metali. Zajmuje się również problemami wynikającymi ze zmniejszenia objętości, w których zachodzą reakcje chemiczne, a w szczególności zagadnieniem pH w małych objętościach. 

 


Kwasowość definiuje się jako ujemny logarytm dziesiętny stężenia jonów wodorowych w roztworze. Cóż to naprawdę znaczy? Czy są jakieś ograniczenia tej skali? Jeśli tak, jakie? Czy możemy to złożone pojęcie w jakiś sposób uchwycić?

 

Gdzie kończy się pH

 

Zacznijmy od wyjaśnienia, czym jest stężenie. Najbardziej podstawowe znacznie stężenia to ilość jednej substancji wymieszanej lub zawartej w innej substancji. Istnieje wiele sposobów na wyrażenie stężenia, przy czym dwa najbardziej popularne w chemii to stężenie procentowe i stężenie molowe. Stężeniem procentowym jest procentowy udział masy substancji A w masie roztworu, na którą składają się masy zarówno substancji A, jak i rozpuszczalnika. Na przykład butelka 12-procentowego czerwonego wina o pojemności 750 ml zawiera 90 ml czystego alkoholu plus 660 ml roztworu (wody oraz wszystkich substancji chemicznych, które powstały w procesie produkcji wina).

 

Stężenie molowe wprawdzie wydaje się mniej przydatne w codziennym życiu, ale każdy może wyciągnąć z niego bardzo ciekawe wnioski dotyczące podstaw naszego naukowego widzenia świata. Zacznijmy od moli. Jeden mol jest pewną dokładną liczbą cząsteczek – o oszałamiającej wartości 6,022×1023. Mol to jednostka używana zwykle do obliczania liczby cząsteczek, chociaż tak naprawdę wszystko, łącznie z ludźmi, może być policzone w molach. Na przykład, jeśli założymy, że jest 7 miliardów (7×109) osób żyjących na naszej planecie, możemy powiedzieć, że populacja ludzka składa się z 0,112 femtomola ludzi (0,112×10-15 mola). Stężenie molowe (1M) to liczba moli substancji rozpuszczonej w roztworze o łącznej objętości 1 litra – warto zapamiętać tę informację, gdyż będzie pomocna w rozumieniu dalszej części tekstu.

 

H+ i OH– nieodłącznie razem

 

Gdy już mniej więcej wiemy, czym jest stężenie, możemy przejść do pH. Skala pH jest to ilościowa skala kwasowości danego roztworu wodnego, mieszcząca się w granicach od 0 do 14. Krótko mówiąc, skala wskazuje, czy roztwór wodny zawiera więcej jonów H+ (protonów, jonów wodorowych, roztwory kwasowe o niskim pH np. 3), czy jonów OH(hydroksylowych, roztwory zasadowe o wysokim pH np. 10) lub czy występują one w jednakowych ilościach (roztwory obojętne o pH 7). Opierając się na teorii stężenia molowego, możemy powiedzieć, że pH zależy od stężenia jonów H+ i OHw roztworze. A zatem, jeżeli stężenie protonów jest większe od stężenia jonów hydroksylowych, roztwór jest kwasowy. Im większa jest liczba protonów, tym bardziej kwasowy odczyn i niższe pH ma roztwór. Na tym etapie bardzo ważne jest określenie pochodzenia jonów H+ i OH -. Są one produktami procesu zwanego dysocjacją, w którym cząsteczki wody (H2O) ulegają rozpadowi na jony H+ i OH-. Jako że w procesie tym nie uczestniczą żadne inne cząsteczki (w rozcieńczonych roztworach oraz w normalnych warunkach temperatury i ciśnienia), w przypadku wody proces nazywamy autodysocjacją. Reakcja jest bardzo rzadka i relatywnie niewiele cząsteczek wody podlega temu procesowi. W ten oto sposób otrzymywany jest iloczyn jonowy wody leżący u podłoża definicji pH.

 

[H+] x [OH–] = 1 x 10-14 [M2]

 

Iloczyn jonowy wody łączy stężenie protonów i jonów hydroksylowych za pomocą jednego równania, a jego wartość jest stała w danych warunkach (1×10-14 w temperaturze 25ºC oraz stałym ciśnieniu atmosferycznym). Oznacza to, że spadek wartości jednego czynnika wymusza wzrost drugiego, by równanie mogło być spełnione. Dlatego też skala pH mieści się w granicach od 0 do 14 (-log 100 = 0 and -log 10-14 = 14). Zmiany w pH spowodowane dodaniem kwasu lub zasady są wynikiem wzajemnego oddziaływania protonów oraz jonów hydroksylowych pochodzących z procesu autodysocjacji wody z protonami lub jonami hydroksylowymi dodanymi do roztworu. Wartości pH nie można określić wyłącznie na podstawie jednego typu jonów, H+ lub OH-. Jony te muszą zawsze być rozpatrywane wspólnie, ponieważ to ich wzajemne interakcje stanowią podstawę pH.

 

Poza skalą makro

 

Tak długo, jak pozostajemy w skali makro (litrów, mililitrów etc.), można by zadać pytanie: „I cóż z tego?”. Jednak, jak wykazaliśmy w naszej pracy „The Final Frontier of pH and the Undiscovered Country Beyond” („Ostateczna granica pH oraz nieodkryty obszar poza nią”) opublikowanej w tym roku przez PLOS One, całość okazuje się znacznie bardziej złożona, gdy weźmiemy pod uwagę, jak małe są komórki i ich organelle. Typowa komórka ssaków ma objętość 1,2 pL (pikolitra, 1,2 ×10-12 L), a jej organelle są od 1000 do 1000000 razy mniejsze [np. mitochondria – komórkowe elektrownie – mają objętość około 1 fL (femtolitra 1×10-15 L)], podczas gdy pęcherzyki opłaszczone mają zaledwie od 30 do 800 zL (zeptolitrów, 1×10-21 L). Gdy przypomnimy sobie, że stężenie jest funkcją objętości, zagadnienia te stają się jeszcze ciekawsze. Jakie jest najmniejsze możliwe stężenie w danej objętości biologicznej? Najmniejszym możliwym stężeniem substancji jest jedna cząsteczka zamknięta w danej objętości. Im większa objętość, tym mniejsze stężenie. Np. jedna cząsteczka znajdująca się w 4,2×10-16 L (420 aL) ma stężenie 4,0×10-9 moli/litr (4 nanomole, nM). I jest to objętość, jaką zajmuje woda w typowej wielkości bakterii E. coli. Mniejsze objętości dają większe stężenia: najmniejsze możliwe stężenie w lizosomie (3,0×10-17 L) wynosi 8,0×10-8 mol/litr (80 nM), podczas gdy pęcherzyk opłaszczony zawierający 3×10-20 L wody, ma 8,0×10-5 M (80 µM).

Skala pH to ilościowa skala kwasowości danego roztworu wodnego, mieszcząca się w granicach od 0 do 14. pH mierzy się np. za pomocą papierków lakmusowych. Fot. ChemPagess

Co ma to wspólnego z pH i kwasowością? Jak już wspomniano, pH dotyczy stężenia jonów H+ i OH-, które są nierozerwalnie z sobą połączone poprzez równanie 1, w związku z tym ich iloczyn zawsze musi być stały. Najmniejsza objętość zajmowana przez roztwór o pH równym 7 (z jednym jonem H+ oraz jednym jonem OH-) to 1,66×10-17 L (16,6 aL). Jest to biologicznie istotna objętość, podobna objętością do struktur wewnątrzkomórkowych! Co więcej, wszelkie odchylenia w pH, wzrost bądź spadek, będą wymagały większej objętości minimalnej. Konsekwencje są zaskakujące. Oznaczają one bowiem, że w fizjologicznie istotnych objętościach idea pH nie jest już prawdziwa – chociaż pojęcie to jest nadal używane do opisywania warunków i reakcji mających miejsce w komórkach i ich organellach! Inną, oprócz nieprawidłowego opisu warunków komórkowych i wewnątrzkomórkowych, konsekwencją jest fakt, że w tak małych przedziałach woda nie jest wystarczająco zdysocjowana, by być źródłem protonów dla zachodzącej w nich chemii kwasowo-zasadowej.

 

Nowy paradygmat?

 

Wydaje się to stać w opozycji do powszechnie obowiązującej wiedzy z zakresu chemii międzykomórkowej/subkomórkowej. Rodzą się pytania: Co tak naprawdę dzieje się w komórce? Jak właściwie żywe organizmy funkcjonują, jeśli wszystko, co dotychczas o nich wiemy, okazuje się nieprawdą? Kryzys wiedzy o pH przypomina częściowo problemy fizyki. Na pewnym poziomie (dokładniej na poziomie atomów) fizyka klasyczna zawodzi, a zaobserwowane zjawiska wymagają nowych teorii, by je opisać. Z pomocą przychodzi nam fizyka kwantowa, która na pierwszy rzut oka również wydaje się w opozycji do fizyki klasycznej (makroskopowej). Podobna sytuacja może mieć miejsce w przypadku wewnątrzkomórkowego pH. Teoria dotycząca skali o dużej objętości – teoria klasyczna – jak się okazuje, nie opisuje zjawisk chemicznych, które odbywają się poniżej pewnych granic objętości.

 

Te proste obserwacje, oparte na prostych, ręcznych obliczeniach, prowadzą do zaskakujących wniosków, które wymagają weryfikacji. Kolejnym krokiem będzie oczywiście opracowanie i przeprowadzenie odpowiednich eksperymentów mających na celu wyjaśnienie, co dzieje się, gdy objętości biologiczne stają się zbyt małe, by właściwie funkcjonować zgodnie z obowiązującymi prawami. To niebywale delikatna sprawa, ponieważ odpowiedzi na te niezwykle ważne pytania nie są oczywiste, a potencjalne wyniki mogą zaprzeczyć obecnemu paradygmatowi. Paradygmatowi, który utrzymuje, że to, co widzimy w makroskali w próbówce, jest tym samym, co dzieje się w mikroskali komórek i ich organelli. I jak pokazaliśmy w tej pracy, nie do końca tak jest.

 

 

Chcesz wiedzieć więcej?

Bal W., Kurowska E., Maret W. (2012). The Final Frontier of pH and the Undiscovered Country Beyond (Ostateczna granica pH oraz nieodkryty obszar poza), PLOS One, e45832.


© Academia nr 4 (32) 2012

 

 

Oceń artykuł
(0 głosujących)

Artykuły powiązane

Tematy

agrofizyka antropologia kultury antropologia społeczna archeologia archeometalurgia architektura Arctowski arteterapia astrofizyka astronomia badania interdyscyplinarne behawioryzm biochemia biologia biologia antaktyki biologia płci biotechnologia roślin borelioza botanika chemia chemia bioorganiczna chemia fizyczna chemia spożywcza cywilizacja demografia edukacja ekologia ekologia morza ekonomia energia odnawialna etnolingwistyka etnomuzykologia etyka ewolucja fale grawitacyjne farmakologia filozofia finansowanie nauki fizyka fizyka jądrowa gender genetyka geochemia środowiska geoekologia geofizyka geografia geologia geologia planetarna geoturystyka grafen historia historia idei historia literatury historia nauki historia sztuki humanistyka hydrogeologia hydrologia informatyka informatyka teoretyczna internet inżynieria inżynieria materiałowa język językoznawstwo kardiochirurgia klimatologia kobieta w nauce komentarz komunikacja kosmologia kryptografia kryptologia kulinaria kultoznawstwo kultura lingwistyka literatura literaturoznawstwo matematyka medycyna migracje mikrobiologia mineralogia mniejszości etniczne mniejszości narodowe modelowanie procesów geologicznych muzykologia mykologia na czasie nauka obywatelska neurobiologia neuropsychologia nowe członkinie PAN 2017 oceanografia ochrona przyrody orientalistyka ornitologia paleobiologia paleontologia palinologia parazytologia PIASt politologia polityka społeczna polska na biegunach prawo protonoterapia psychologia psychologia zwierząt punktoza Puszcza Białowieska robotyka rozmowa „Academii” seksualność smog socjologia szczepienia sztuka technologia wieś w obiektywie wulkanologia zastosowania zdrowie zoologia zwierzęta źródła energii żywienie

Komentarze

O serwisie

Serwis naukowy prowadzony przez zespół magazynu Academia PAN.Academia Zapraszamy do przysyłania informacji o badaniach, aktualnie realizowanych projektach naukowych oraz imprezach popularyzujących naukę.

 

Dla użytkowników: Regulamin

Pliki cookies

Informujemy, że używamy ciasteczek (plików cookies) w celu gromadzenia danych statystycznych, emisji reklam oraz prawidłowego funkcjonowania niektórych elementów serwisu. Pliki te mogą być umieszczane na Państwa urządzeniach służących do odczytu stron, a korzystając z naszego serwisu wyrażacie Państwo zgodę na używanie cookies, zgodnie z aktualnymi ustawieniami przeglądarki.

Więcej informacji o celu używania i zmianie ustawień ciasteczek w przeglądarce: TUTAJ

Wydanie elektroniczne

Kontakt

  • pisz:

    Redakcja serwisu online
    Academia. Magazyn Polskiej Akademii Nauk
    PKiN, pl. Defilad 1, pok. 2110
    (XXI piętro)
    00-901 Warszawa

  • dzwoń:

    tel./fax (+48 22) 182 66 61 (62)

  • ślij:

    e-mail: academia@pan.pl