1 курс / Химия / Буферные растворы

воздействует на дыхательные центры, объем легочной вентиляции увеличивается и соотношение компонентов восстанавливается.

4. При увеличении щелочности крови протекает реакция:

.

Концентрация увеличивается, а концентрация угольной кислоты уменьшается, но по закону разбавления В. Оствальда увеличивается ее степень диссоциации и недостаток ионов водорода восполняется за счет потенциальной кислотности молекул угольной кислоты:

+ + .

Уменьшение концентрации приводит к замедлению вентиляции легких,

поэтому накапливается в организме и буферное соотношение остается неизменным. Кроме того, избыток гидрокарбонатов удаляется из организма почками.

Значительное количество выделяющихся из организма солей органических кислот в почках замещают ионы Na+, K+ на ион H+ и выводятся почками в виде кислот. У здоровых людей их количество составляет 20 60 ммоль/сутки. Ионы

Na+, K+, соединяясь с гидрокарбонат ионами, возвращаются в кровь и восстанавливают количество гидрокарбонатов.

Для определения состояния КОР организма важное значение имеет величина щелочного резерва крови. Щелочной резерв крови измеряется в объемных процентах и представляет отношение количества мл ,

находящегося в крови в химически связанном состоянии (в основном виде гидрокарбонатов), на 100 мл сыворотки крови.

В нормальном состоянии щелочной резерв крови равен 55 2%.

Изменение концентрации , находящегося в равновесии с углекислым газом при постоянном () = 40 мм рт. ст. влечет за собой изменение рН. При повышении концентрации гидрокарбоната вдвое величина рН возрастает на 0,3

ед.; а при уменьшении концентрации гидрокарбонатов в 2 раза рН уменьшается

на 0,3 ед.

20

Гемоглобиновый буфер

Составляет 35% буферной емкости.

Главная буферная система эритроцитов, на долю которой приходится около

75% всей буферной емкости крови. Участие гемоглобина в регуляции рН крови связано с его ролью в транспорте кислорода и . Гемоглобиновая буферная система крови играет значительную роль сразу в нескольких физиологических процессах: дыхании, транспорте кислорода в ткани и в поддержании постоянства рН внутри эритроцитов, а в конечном итоге – в крови.

Она представлена двумя слабыми кислотами – гемоглобином и оксигемоглобином и сопряженными им основаниями – соответственно гемоглобинат- и оксигемоглобинат-ионами:

Оксигемоглобин – более сильная кислота (рКа = 6,95), чем гемоглобин (рКа

= 8,2). При рН = 7,25 (внутри эритроцитов) оксигемоглобин ионизирован на

65%, а гемоглобин – на 10%, поэтому присоединение кислорода к гемоглобину уменьшает значение рН крови, так как при этом образуется более сильная кислота. С другой стороны, по мере отдачи кислорода оксигемоглобином в тканях значение рН крови вновь увеличивается.

Буферные свойства прежде всего обусловлены возможностью взаимодействия образующихся в организме кислот с калиевой солью гемоглобина с образованием эквивалентного количества соответствующей калийной соли кислоты и свободного гемоглобина:

.

Образующийся гидрокарбонат () уравновешивает количество поступающей , рН сохраняется, так как происходит диссоциация потенциальных молекул и образовавшихся гемоглобиновых кислот.

21

Именно таким образом поддерживается рН крови в пределах нормы,

несмотря на поступление в венозную кровь огромного количества и других кислореагирующих продуктов обмена.

В капиллярах легких гемоглобин (ННb) поглощает кислород и превращается в HHbO2, что приводит к некоторому подкислению крови,

Влегких:

Втканях:

Кроме того, гемоглобиновый буфер является сложным белком и действует как белковый буфер.

Фосфатный буфер

Составляет 5% буферной емкости. Содержится как в крови, так и в клеточной жидкости других тканей, особенно почек. В клетках он представлен солями и , а в плазме крови и в межклеточной жидкости

.

Функционирует в основном в плазме и включает:

дигидрофосфат-ион и гидрофосфат-ион . Первый из них выполняет роль кислоты, а второй – соли.

Отношение [ ] / [ ] в плазме крови (при рН = 7,4) равно 4 : 1.

Следовательно, эта система имеет буферную емкость по кислоте больше, чем по основанию. Механизм действия аналогичен действию других кислотных буферных систем.

22

Например, при увеличении концентрации катионов во внутриклеточной жидкости, например, в результате переработки мясной пищи, происходит их нейтрализация ионами :

Вместо сильной кислоты образуется эквивалентное количество слабой кислоты, степень диссоциации которой уменьшается. Поэтому существенного

изменения рН не происходит.

Образующийся избыточный дигидрофосфат выводится почками, что

приводит к снижению величины рН мочи и соотношение восстанавливается.

При увеличении концентрации оснований в организме, например, при

Концентрация кислоты (дигидрофосфата) уменьшается, а диссоциация увеличивается. Поэтому существенного изменения концентрации ионов водорода не происходит. Образующийся избыточный гидрофосфат выводится почками, при этом рН мочи повышается.

Выведение тех или иных компонентов фосфатной буферной системы с мочой, в зависимости от перерабатываемой пищи, объясняет широкий интервал значений рН мочи – от 4,8 до 7,5. Восстановление фосфатного буфера происходит медленнее, чем гидрокарбонатного. Фосфатная буферная система крови характеризуется меньшей буферной ѐмкостью, чем гидрокарбонатная.

Однако эта система играет решающую роль не только в моче, но и в других биологических средах – в клетке, в соках пищеварительных желез, в моче.

Белковый буфер

Составляет 7% буферной емкости. Он состоит из белка-кислоты и его соли,

образованной сильным основанием:

– – белок-кислота,

23

– – белок-соль.

1. При образовании в организме сильных кислот они взаимодействуют с солью белка. При этом получается эквивалентное количество белка-кислоты:

.

2.По закону разбавления В. Оствальда увеличение концентрации слабого электролита уменьшает его диссоциацию, рН практически не меняется.

3.При увеличении щелочных продуктов они взаимодействуют с

:

.

Количество кислоты уменьшается. Однако концентрация ионов Н+

увеличивается за счет потенциальной кислотности белка-кислоты. поэтому практически рН не меняется.

4.За счет присутствия в составе белка аминогрупп каждая белковая молекула способна нейтрализовать кислоты и основания как основной буфер.

5.елок – амфотерный электролит. Наличие двух разных групп обуславливает проявление молекулами белка собственное буферное действие, способность нейтрализовать кислоты и основания без изменения рН,

собразованием солей без изменения рН среды.

[;

Основную часть белков плазмы крови составляют альбумины и глобулины.

Буферная емкость белков также выше по кислоте. Для альбуминов буферная емкость составляет 10 ммоль/л, а для глобулинов 3 ммоль/л.

24

ВЗАИМОСВЯЗЬ БУФЕРНЫХ СИСТЕМ В ОРГАНИЗМЕ

1. В процессе газообмена в легких кислород поступает в эритроциты, где протекает реакция:

2. По мере перемещения крови в периферические отделы кровеносной системы происходит отдача кислорода ионизированной формой

.

Кровь при этом из артериальной становится венозной. Отдаваемый в тканях кислород расходуется на окисление различных субстратов, в результате чего образуется , большая часть которого поступает в эритроциты.

3. В эритроцитах в присутствии карбоангидразы со значительной скоростью протекает следующая реакция:

+ + .

4. Образующийся избыток протонов связывается с гемоглобинат-ионами:

Связывание протонов смещает равновесие реакции стадии (3) вправо,

вследствие чего концентрация гидрокарбонат-ионов возрастает, и они диффундируют через мембрану в плазму. В результате встречной диффузии ионов, отличающихся кислотно-основными свойствами (хлорид-ион протолитически неактивен; гидрокарбонат ион в условиях организма является основанием), возникает гидрокарбонатно-хлоридный сдвиг. Этим объясняется более кислая реакция среды в эритроцитах (рН = 7,25) по сравнению с плазмой

накапливающийся там избыток протонов, возникающий в результате метаболических процессов:

+

7. Избыток протонов нейтрализуется фосфатным буфером:

.

8. После того как кровь вновь попадает в легкие, в ней увеличивается концентрация оксигемоглобина (стадия 1), который реагирует с гидрокарбонат-

ионами, не диффундировавшими в плазму:

Образующийся выводится через легкие. В результате уменьшения концентрации ионов в этой части кровеносного русла наблюдаются их диффузия в эритроциты и диффузия хлорид-ионов в обратном направлении.

9. В почках также накапливается избыток протонов в результате реакции:

+ + ,

который нейтрализуется гидрофосфат-ионами и аммиаком (аммиачный буфер):

H+ + NH3 ↔ NH4+.

Таким образом, гемоглобиновая система участвует в двух процессах:

Связывание протонов, накапливающихся в результате метаболических процессов;

Протонирование гидрокарбонат-ионов с последующим выделением Гемоглобиновую буферную систему можно рассматривать как одно из

важнейших звеньев в транспорте из тканей в легкие.

Следует отметить, что на поддержание постоянства рН различных жидких систем организма оказывают влияние не только буферные системы, но и функционирование ряда органов и систем: легких, почек, кишечника, кожи и др.

26

КИСЛОТНО-ОСНОВНОЕ РАВНОВЕСИЕ

Кислотно-основное состояние – неотъемлемая составная часть протолитического гомеостаза внутренней среды организма, который обеспечивает оптимальные условия правильного течения обмена веществ.

Соотношение определѐнной концентрации ионов Н+ и ОН- в органах,

равновесием (КОР). Кислотно – основное равновесие имеет первостепенное значение, так как:

Ионы Н+ являются катализаторами многих биохимических превращений;

Ферменты и гормоны проявляют биологическую активность при строго определенных значениях рН;

Наибольшие изменения концентрации ионов Н+ крови и межтканевой жидкости влияют на величину их осмотического давления.

Отклонение рН крови (7,4) на 0,3 ед. может привести к коматозному состоянию, отклонение на 0,4 ед. может повлечь смертельный исход. рН слюны равное 5 ед. приводит к развитию кариеса.

Основные показатели КОР

рН крови. В норме рН крови равно 7,4. смещение рН в сторону увеличения называется алкалозом, а в сторону уменьшения – ацидозом.

Различают респираторный и метаболический ацидоз и алкалоз.

Парциальное давление в норме составляет 40 мм рт.ст. Снижение этого показателя наблюдается при дыхательном алкалозе и метаболическом ацидозе. Повышение давления отмечается при дыхательном ацидозе и метаболическом алкалозе.

Щелочной резерв крови. Это количество мл , находящегося в крови в химически связанном состоянии (в основном виде гидрокарбонатов), в расчете

27

на 100 мл сыворотки крови. Норма – 55%. Уменьшение резервной щелочности свидетельствует об уменьшении содержания бикарбонатов в организме, а

увеличение еѐ – об увеличении их.

Буферные основания. Анионы всех буферных систем называются буферными основаниями (БО). Количество протонов, которое может быть

Смещение буферных оснований.

Смещение кислотно-основного равновесия по отношению к нормальным буферным основаниям. В норме оно составляет (+1,5) ( 1,5)

(+) – показывает на излишек оснований или дефицит кислот; (–) – показывает на дефицит оснований или излишек кислот.

Для выявления причин патологии необходимо определять все показатели КОР. На практике часто ограничиваются определением величиной рН, ρ( и

щелочного резерва.

ВОЗМОЖНЫЕ ПРИЧИНЫ И ТИПЫ НАРУШЕНИЯ КОР ОРГАНИЗМА

Нарушение кислотно-основного состояния возникает в результате нарушения транспорта в организме или при изменении его концентрации во вдыхаемом воздухе.

В зависимости от механизма развития расстройств кислотно-основного состояния выделяют дыхательный и метаболический ацидозы и алкалозы.

Метаболический ацидоз характеризуется нарушением метаболизма,

которое приводит к некомпенсированному (когда изменяется рН и величина щелочного резерва) или частично компенсированному падению рН крови

(величина рН не изменилась, но изменилась величина щелочного резерва).

28

Метаболический ацидоз наступает вследствие:

а) избыточного введения или образования стойких кислот (поступление кетокислот при голодании и диабете,

б) повышенное образование молочной кислоты при шоке,

в) задержка фосфатов, сульфатов, анионов органических кислот в результате снижения величины клубочковой фильтрации в почках,

г) избыточной потери гидрокарбонат-иона в результате поноса, колита, язвы кишечника.

Процессы компенсации связаны с нейтрализацией ионов водорода гидрокарбонат-ионом и усилением легочной вентиляции.

Метаболический алкалоз характеризуется нарушением метаболизма,

которое приводит к некомпенсируемому или частично компенсируемому увеличению рН крови.

Метаболический алкалоз наступает вследствие:

а) потери водородных ионов (высокая кишечная непроходимость,

неукротимая рвота и др.);

б) увеличение концентрации гидрокарбоната (потеря воды, избыточное введение гидрокарбонат-ионов при метаболическом ацидозе, введение солей органических кислот – молочной, уксусной, лимонной, метаболизирующих с поглощением ионов водорода и др.),

в) избыток выведения ионов калия при повышенной секреции минералокортикоидов;

г) повышении парциального давления Компенсации этого явления достигают снижением легочной вентиляции

(задержка ), удалением гидрокарбонат-иона почками.

Дыхательный ацидоз – это некомпенсированное или частично компенсированное снижение рН в результате гиповентиляции из-за:

а) заболевания легких или дыхательных путей (пневмония, отек легких,

инородные тела в верхних дыхательных путях и т.д.);

б) повреждения (заболевания) дыхательной мускулатуры;

29