Слесарев. Основы Химии живого

тические буферные системы крови состоят из нескольких сис­ тем, состав и механизм действия которых уже рассмотрен. Вклад каждой из них в поддержание pH крови у человека раз­ личен и указан в табл. 8.3.

Таблица 8.3

Относительный вклад буферных систем крови в поддержание в ней протолитического гомеостаза

Когда кровь попадает в легкие, где давление кислорода при вдохе достаточно велико, она обогащается кислородом за счет свя­ зывания его в эритроцитах гемоглобином ННЬ с образованием оксигемоглобина ННЬ02. (Строение гемоглобина и его производ­ ных рассмотрено в разд. 10.4.) Оксигемоглобин, как кислота, дис­ социирует легче, чем гемоглобин, анион которого, связывая кати­ он Н+, поддерживает pH в эритроците. Поскольку ННЮ2 в крови легких много и по силе эта кислота (р1 Га(ННЬ0 2 ) = 6,95) сопоста­ вима с угольной кислотой (р/Га(Н2 СОз) = 6 ,1 ), то за счет ННЬ02 и при участии фермента карбоангидразы в легких параллельно происходит процесс очищения крови от летучей кислоты С02, которая в эритроцитах находится в виде НСО3 и аниона карбаминогемоглобина (НЬ •С02)“, а в плазме - в виде НСО3 и в рас­ творенном состоянии (СО2 •Н2 О). Процессы, происходящие в эритроцитах легочной крови, можно отразить следующими ре­ акциями:

Уменьшение концентрации НСО3 в эритроцитах легочной кро­ ви приводит к диффузии НСО3 из плазмы в эритроцит. Вслед­

201

ствие этого плазма очищается от гидрокарбонат-аниона и рас­ творенного СО2 (С02 •Н2 О), так как переход НСО3 в эритроцит способствует следующим превращениям в плазме:

хлорид-анионов (для соблюдения электронейтральности этих кле­ ток). Следует подчеркнуть, что протеканию всех приведенных реакций способствуют два физиологических процесса: вдох - поступление кислорода в кровь - и выдох - выделение из крови "летучей кислоты” С02.

Обогащенная кислородом артериальная кровь, содержащая оксигемоглобин на 6 5 % в ионизированном состоянии (Н Ь 0 2), а гемоглобин - на 10 % (Жг), поступает в ткани, которые стре­ мятся получить кислород и отдать в кровь продукты метабо­ лизма: С 0 2 и избыток катионов Н + . Это приводит к протеканию следующих процессов: поступающий в кровь С 0 2 растворяется в плазме и эритроцитах и, реагируя с водой, образует угольную кислоту. В плазме эта реакция идет медленно, а в эритроцитах - быстро, за счет участия фермента карбоангидразы. Поэтому С 0 2 интенсивно диффундирует в эритроциты, где происходит его связывание с образованием Н 2С О з, а также карбаминогемоглобина (Н Ь •С 0 2)“ в результате взаимодействия с буферным осно­ ванием эритроцитов Ш г, при котором С 0 2 связывается с ами­ ногруппами белка (глобина). Образовавшаяся в эритроцитах Н 2С О з, как более сильная кислота, реагирует с другим буфер­ ным основанием - Н Ь 0 2 , переводя его в неионизированное со­ стояние Н Н Ь 0 2, а сама превращается в Н С О 3 , который диф­ фундирует в плазму. Неионизированный оксигемоглобин легко отдает тканям необходимый кислород. Эти процессы в эритро­ цитах описываются следующими реакциями:

карбоангидраза

Таким образом, в тканях из эритроцитов в плазму постоян­ но поступает НСО3 , а из плазмы в эритроциты для соблюдения их электронейтральности диффундируют протолитически неак­ тивные хлорид-анионы. В результате встречной диффузии этих ионов в эритроците среда менее щелочная (pH = 7,25), чем в плазме (pH = 7,40).

В плазму крови из тканей поступают метаболический Н+ и С02, а из эритроцитов - НСО3 . Буферные основания плазмы - гидрокарбонат-анион НСО3 , анион белка (Prot)- и гидрофосфатанион НРО|“, реагируя с поступающими кислотными субстра­

202

Причинами ацидоза и алкалоза могут быть или увеличение содержания кислот, или уменьшение содержания буферных оснований в системе по сравнению с нормой.

Ацидоз или алкалоз могут быть экзогенного и эндогенного характера. Экзогенный ацидоз возникает при употреблении пи­ щи с избыточным содержанием кислот (лимонной, бензойной, уксусной), а также лекарственных средств, трансформация кото­ рых в организме способствует понижению pH среды. Экзогенный алкалоз в основном возникает при поступлении в организм ле­ карств или других веществ, способствующих повышению pH среды, например соды, ацетата калия. Эндогенный ацидоз или алкалоз возникает при нарушении протолитического баланса в организме вследствие нарушения соотношений скоростей синтеза

ивыведения тех или иных кислот или оснований.

Взависимости от глубины патологических изменений разли­

чают компенсированный и некомпенсированный ацидоз (алкалоз). При компенсированном ацидозе (алкалозе), несмотря на откло­ нения от нормы кислотной буферной емкости, pH крови сохра­ няет значение в пределах 7,35 < pH < 7,45. Некомпенсированный ацидоз сопровождается уменьшением кислотной буферной емко­ сти и снижением pH крови (6 , 8 < pH < 7,35), а некомпенсиро­ ванный алкалоз - увеличением кислотной буферной емкости и повышением pH крови (7,45 < pH < 7,9). Снижение pH крови по сравнению с нормой называется ацидемией, а повышение pH крови - алкалемией. Изменение значения pH крови на 0,6 еди­ ницы в любую сторону приводит к летальному исходу.

Для характеристики кислотно-основного состояния крови в физиологии и медицине используются следующие метаболиче­ ские показатели: величина pH плазмы и цельной крови, парци­ альное напряжение (давление) углекислоты р(С02), содержание гидрокарбоната в плазме крови, содержание буферных основа­ ний в плазме крови ВВ, избыток или дефицит буферных осно­ ваний в крови BE.

Величина pH плазмы крови - фактическая величина водо­ родного показателя плазмы артериальной крови при 37 °С. Фи­ зиологические пределы 7,35 < pH < 7,45.

Парциальное напряжение углекислоты р(С02) - парциаль­ ное давление С02 над кровью, находящейся в равновесии с рас­ творенным в плазме С02 при 37 °С. В физиологических условиях /*С02) * (40 ± 5) мм рт. ст. (5,3 кПа). Предельные значения пар­ циального давления С02 составляют при алкалозе 10 мм рт. ст., а при ацидозе 130 мм рт. ст.

Содержание гидрокарбоната в плазме крови в норме с(Н С О з) = = (24,4 ± 3) ммоль/л.

Содержание буферных оснований в плазме крови (ВВ) -

нормальное значение для плазмы ВВ = (42 ± 3) ммоль/л.

Избыток или дефицит буферных оснований в крови BE ха­ рактеризует разницу между фактическим содержанием буферных оснований в крови у исследуемого человека и значением ВВ в

204

норме, равным 42 ммоль/л. В норме BE равен ±3 ммоль/л. При патологии интервал значений показателя BE значительно ши­ ре: ±30 ммоль/л.

В клинической практике с помощью указанных метаболи­ ческих показателей крови определяют наличие нарушений протолитического гомеостаза. Различают четыре вида первичных нарушений кислотно-основного баланса в организме, которые относятся к патологическим физиологическим процессам.

Метаболический ацидоз характеризуется избытком нелету­ чей кислоты или дефицитом гидрокарбонат-аниона в межкле­ точной жидкости.

Показатели: Ва< норма; [донор протона] > норма; pH < норма; c(HCOg) < норма; BE < норма; р (С 0 2) < норма.

Причины: нарушение кровообращения, кислородное голодание тка­ ней, диарея (понос), нарушение выделительной функции почек, диабет.

Метаболический алкалоз характеризуется удалением моле­ кул кислот или накоплением буферных оснований, включая содержание гидрокарбонат-аниона в межклеточной жидкости.

Показатели: Ва>норма; [акцептор протона] > норма; pH£ норма; c(HCOg) > норма; BE > норма; р (С 0 2) > норма.

Причины: неукротимая рвота, удаление кислых продуктов из же­ лудка, запор (накопление щелочных продуктов в кишечнике), дли­ тельный прием щелочной пищи и минеральной воды.

Респираторный (газовый) ацидоз характеризуется понижен­ ной скоростью вентиляции легких по сравнению со скоростью образования метаболического СО2 .

Показатели: Ва<норма; [донор протона] > норма; pH < норма; с(НСО^) > норма; BE > норма; р (С 0 2) > норма.

Причины: заболевания органов дыхания, гиповентиляция легких, угнетение дыхательного центра некоторыми препаратами, например барбитуратами.

Респираторный (газовый) алкалоз характеризуется повы­ шенной скоростью вентиляции легких по сравнению со скоро­ стью образования метаболического СО2 .

Показатели: Ва> норма; [донор протона] < норма; pH > норма;

с(НСОз) < норма; BE < норма; р(С02) < норма.

Причины: вдыхание разреженного воздуха, чрезмерное возбужде­ ние дыхательного центра вследствие поражения мозга, гипервентиля­ ция легких, развитие тепловой одышки.

Идентифицировать характер патологии можно с помощью трехкоординатной диаграммы, представляющей собой равнобед­ ренный треугольник, на сторонах которого отложены в масшта­ бе величины метаболических показателей: pH; с(НСОз) и р(СС>2 ),

205

206

_____ \сопряженнаяокисчительно-восстановительнаяпара/|___________________

Гпава 9

ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЕ РЕАКЦИИ, ИХ ЗАКОНОМЕРНОСТИ И РОЛЬ

В ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ ОРГАНИЗМОВ

После изучения этой главы выдолжны:

-иметь представление о следующих понятиях и величинах: окислитель, восстановитель, сопряженная окислительно-восстано­ вительная пара, эквивалент окислителя и восстановителя, стан­ дартный восстановительный потенциал, ЭДС окислительно-восста- новительной реакции;

-знать условия самопроизвольного и равновесного протекания окислительно-восстановительных реакций;

-особенности биохимических окислительно-восстановительных процессов, степени окисления углерода, внутри- и межмолекулярное окисление-восстановление, дегидрогеназное, оксидазное и свободнорадикальное окисление-восстановление, активные формы кислорода;

-иметь понятие о кофакторах и коферментах оксидоредуктаз, электронотранспортных цепях, окислительном фосфорилировании

ифотофосфорилировании, цитохроме Р-450 - ферменте детокси­ кации, а также о компонентах антиоксидантной системы и их дей­ ствии.

9 .1 . ОСНОВНЫ Е ПОНЯТИЯ И Ф АК ТО РЫ , ВЛИЯЮЩ ИЕ НА ПРОТЕКАНИЕ ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫ Х

РЕАКЦИЙ

Наряду с кислотно-основным взаимодействием, в основе кото­ рого лежит обмен протоном (Н+) между реагентами, в природе широко распространено окислительно-восстановительное взаимо­ действие, которое характеризуется перераспределением электро­ нов между реагентами.

208

Окислительно-восстановительными реакциями называ­ ются химические реакции, протекающие с изменением степени окисления атомов вследствие перераспределения электронов между ними.

В окислительно-восстановительных реакциях всегда проис­ ходят отдача и присоединение электронов.

«мом вещества, сопровождающийся повышением степени его окисления.Окислением называется процесс отдачи электронов ато­

Например:

«тронов атомом вещества, сопровождающийся понижением степени его окисления.Восстановлением называется процесс присоединения элек­

Например:

В ходе окислительно-восстановительной реакции оба процесса протекают одновременно, причем общее число электронов, от­ данных при окислении, равно общему числу электронов, при­ нятых при восстановлении.

Окислителем называется вещество, в состав которого «входят атомы, присоединяющие электроны, т. е. окисли­

тель - акцептор электронов.

Восстановителем называется вещество, в состав кото­ «рого входят атомы, отдающие электроны, т. е. восстано­

витель - донор электронов.

Окислитель, принимая электроны, приобретает восстановитель­ ные свойства, превращаясь в сопряженный восстановитель:

окислитель + е~ ^5^ сопряженный восстановитель

Восстановитель, отдавая электроны, приобретает окислительные свойства, превращаясь в сопряженный окислитель:

восстановитель - е~ ^ сопряженный окислитель

Любая окислительно-восстановительная реакция представляет собой единство двух противоположных превращений - окисле­ ния и восстановления:

сопряженная окислительно-восстановительная пара II

209

Например:

сопряженная окислительновосстановительная пара I

сопряженная окислительно­ восстановительная пара II

Совокупность окислителя (восстановителя) с продуктом его превращения составляет сопряженную окислительно-восстанови- тельную пару, а ее взаимопревращение является полуреакцией восстановления (окисления). В любой окислительно-восстанови- тельной реакции принимают участие две сопряженные окисли- тельно-восстановительные пары, между которыми имеет место конкуренция за электроны, в результате чего протекают две полуреакции: одна связана с присоединением электронов, т. е. вос­ становлением, другая - с отдачей электронов, т. е. окислением.

Так, в реакции

2Н2 + 02 —► 2Н20

-2

участвуют пары Н+, Н2 и 02, О и протекают указанные полуреакции:

Для правильного обозначения сопряженной окислительно-вос- становительной пары вначале следует записывать окисленную, а затем - восстановленную форму вещества.

Взаимодействие веществ в окислительно-восстановительных реакциях, как и в других химических реакциях, подчиняется закону эквивалентов.

Эквивалентом окислителя или восстановителя называ­ «ется его частица (реальная или условная), которая, соот­

ветственно, присоединяет или отдает один электрон.

Молярная масса эквивалента х1г М (Х) окислителя или «восстановителя равна их молярной массе М(Х), умножен­

ной на фактор их эквивалентности 1/г в данной реакции.

Фактор эквивалентности окислителя или восстановителя равен 1/ г, где z - число электронов, принятых или отданных одной частицей (молекулой, атомом, ионом) окислителя или восстано­

210