Роль концентрации водородных ионов в биологических процессах.

Как известно, каждый ион играет особую роль в различных биологических процессах, однако водородные ионы занимают особое положение среди других. Концентрация водородных ионов является одной из важных констант внутренней среды организмов. Так, рН крови человека равняется 7,36. Малейшее отклонение от этого значения ведет к серьезным нарушениям жизнедеятельности.

Активность различных ферментов, а также специфика происходящих в тка­нях биохимических процессов тесно связаны с определенными довольно узкими интервалами рН. Например, пепсин желудочного сока активен при рН=1,5—2,0; содержащийся в слюне птиалин, ускоряющий процесс осахаривания крахмала, наи­более активен при рН = 6,7, т. е. почти в нейтральной среде. В зависимости от рН среды ферменты могут катализировать совершенно различные реакции. Так, тка­невые катепсины при реакции среды, близкой к нейтральной, катализируют синтез белка, а при кислой реакции — его расщепление. При отклонении величины рН от оптимальных значений активность ферментов, как показывает опыт, сильно снижа­ется или даже вовсе прекращается, что в конечном итоге приводит организм к гибели.

Концентрация водородных ионов имеет большое значение в жизнедеятельно­сти различных микроорганизмов. Например, сугубо бактериальный процесс усвое­ния атмосферного азота клубеньковыми бактериями на корнях бобовых растений идет при определенном значении рН почвы, равном примерно 7,2. Дифтерийный микроб развивается при рН в пределах 7,3—7,6, а кишечный микроб — при рН 6—7 и т. д.

Использование растениями различных питательных элементов из почвы также в значительной мере зависит от рН среды. Так, исследованиями академика Д. Н. Прянишникова было установлено, что нитратный азот (NO₃^-) лучше усваи­вается растениями в слабокислой среде при рН, равном примерно 5, а азот в ам­миачной форме (NH₄⁺) лучше усваивается в нейтральной среде при рН≈7. Отно­шение высших растений к рН почвы также различно. Для каждого растения уста­новлена наиболее благоприятная, оптимальная реакция среды. В табл. 4.7 приве­дены оптимальные значения рН для различных сельскохозяйственных культур.

Как видно из табл. 4.7, сельскохозяйственные растения меньше страдают от кислотности, чем от щелочности почвы.

Нейтральной реакцией с небольшими отклонениями в кислую или щелочную сторону обладают черноземы; подзолистые, дерново-подзолистые и болотные почвы имеют, как правило, кислую реакцию среды; засоленные почвы, наоборот, отли­чаются щелочной реакцией и т. д. Необходимо отметить, что по видовому соста­ву луговой растительности можно приблизительно определять рН почвы. Так, присутствие растения «щучки» (Deschampsia flexuosa) указывает на то, что рН этой почвы находится в пределах 3,5—3,9. Преобладание осоки (Сагех) указывает рН почвы в пределах 4,5—4,9; а преобладание «мать-и-мачехи» (Tussilago farfaга) — на рН 7,5—7,9 и т. д.

Многие агрохимические приемы направлены на создание в почве наиболее благоприятной для растений и почвенной микрофлоры реакции среды. Например, путем внесения в кислые почвы извести (СаСОз) добиваются устранения избы­точной кислотности, вредной для растений и некоторых полезных в земледелии микроорганизмов.

Внесение в почву гипса (CaSO₄^.2H₂O) и железного купороса (FeSO₄^.7H₂O) способствует устранению избыточной щелочности почвенного раствора.

Не менее важное значение имеет реакция среды и в области технической био­химии. Например, контроль технологического процесса и качества готовой продук­ции по величине рН имеет большое значение во многих отраслях пищевой, мясной и молочной промышленности, в частности в хлебопечении, сыроварении, пивоваре­нии, переработке молочных продуктов, фруктов, овощей, изготовления кож, таба­ка и многих других отраслях народного хозяйства. Величина рН влияет на про­текание важных ферментативных процессов в гидролизной промышленности, крахмало-паточном производстве, виноделии.

Не менее важное значение имеет водородный показатель в химической техно­логии. В частности, под влиянием рН могут изменяться растворимость, фильтра­ция, вязкость, поверхностное натяжение, осмотическое давление, набухание и дру­гие свойства. Вот почему определение концентрации водородных ионов (точнее, измерение рН) нашло применение во всех областях не только биологии, но и хи­мии, агрохимии, биохимии, почвоведения, физиологии растений и животных, мик­робиологии, медицины и в других областях науки и практики.