Взаимосвязь буферных систем в тканях

Рассмотрим взаимодействие буферных систем в организме по стадиям:

1. В процессе газообмена в легких кислород поступает в эритроциты, где протекает реакция: ННb + O₂ ↔ HHbO₂ ↔ Н + + HbO₂ —

2. По мере перемещения крови в периферические отделы кровеносной системы происходит отдача кислорода ионизированной формой HbO₂ —

Кровь при этом из артериальной становится венозной. Отдаваемый в тканях кислород расходуется на окисление различных субстратов, в результате чего образуется СО₂, 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:

Н + + Нb — → HHb

5. Поступающие в плазму гидрокарбонат-ионы нейтрализуют накапливающийся там избыток протонов, возникающий в результате метаболических процессов:

6. Образовавшийся СО₂ взаимодействует с компонентами белковой буферной системы:

СО₂ + Рt-NH₂ ↔ Pt-NHCOOH ↔ H + + Pt-NHCOO —

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 СО2 выводится через легкие. В результате уменьшения концентрации НСО₃ — 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:

СО₂ + Н₂О ↔ Н₂СО₃ ↔ Н + + НСО₃ — , который нейтрализуется гидрофофат-ионами и аммиаком (аммиачный буфер):

Таким образом, гемоглобиновая система участвует в двух процессах:

— Связывание протонов, накапливающихся в результате метаболических процессов;

— Протонирование гидрокарбонат-ионов с последующим выделением СО₂

Кислотно-основное равновесие. Основные показатели КОР. Возможные причины и типы нарушений КОР организма.

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

Соотношение определённой концентрации ионов Н+ и ОН- в органах, тканях, жидкостях организма называется кислотно-основным равновесием (КОР).

 Ионы Н+ являются катализаторами многих биохимических превращений;

 Ферменты и гормоны проявляют биологическую активность при строго определённых 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

 В норме рН крови равно 7,4.

 Парциальное давление СО₂ в норме составляет 40 мм рт.ст.

 Щелочной резерв крови. Это количество мл СО₂, находящегося в крови, в расчете на 100 мл сыворотки крови. Норма – 55 %.

Буферные системы организма

Он составляет 53 % буферной ёмкости и представлен:

Бикарбонатный буфер представляет собой основную буферную систему плазмы крови; он является системой быстрого реагирования, так как продукт его взаимодействия с кислотами СО₂ – быстро выводится через легкие. Помимо плазмы, эта буферная система содержится в эритроцитах, интерстициальной жидкости, почечной ткани.

Механизм действия. В случае накопления кислот в крови уменьшается количество НСО₃ — и происходит реакция: НСО₃ — + Н + ↔ Н₂СО₃ ↔ Н₂О + СО₂↑. Избыток удаляется лёгкими. Однако значение рН крови остаётся постоянным, так как увеличивается объём лёгочной вентиляции, что приводит к уменьшению объёма СО₂

1. При увеличении щелочности крови концентрация НСО₃ — увеличивается: Н₂СО₃ + ОН — ↔ НСО₃ — + Н₂О.

Это приводит к замедлению вентиляции лёгких, поэтому СО₂ накапливается в организме и буферное соотношение остаётся неизменным.

Составляет 35 % буферной ёмкости.

Читайте также: Саржа ткань как выглядит

Главная буферная система эритроцитов, на долю которой приходится около 75% всей буферной ёмкости крови. Участие гемоглобина в регуляции рН крови связано с его ролью в транспорте кислорода и СО₂. 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 (рК_а = 6,95), чем гемоглобин (рК_а = 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 ННb прежде всего обусловлены возможностью взаимодействия кислореагирующих соединений с калиевой солью гемоглобина с образованием эквивалентного количества соответствующей калийной соли кислоты и свободного гемоглобина:

Образующийся гидрокарбонат (КНСО₃) уравновешивает количество поступающей Н₂СО₃, рН сохраняется, так как происходит диссоциация потенциальных молекул Н₂СО₃ и образовавшихся гемоглобиновых кислот.

Именно таким образом поддерживается рН крови в пределах нормы, несмотря на поступление в венозную кровь огромного количества СО₂ и других кислореагирующих продуктов обмена.

В капиллярах лёгких гемоглобин (ННb) поглощает кислород и превращается в HHbO₂, что приводит к некоторому подкислению крови, вытеснению некоторого количества Н₂СО₃ из бикарбонатов и понижению щелочного резерва крови, а в тканях отдает его и поглощает СО₂.

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

Составляет 5 % буферной ёмкости. Содержится как в крови, так и в клеточной жидкости других тканей, особенно почек. В клетках он представлен солями К₂НРО₄ и КН₂РО₄, а в плазме крови и в межклеточной жидкости Na₂HPO₄ и NaH₂PO₄. Функционирует в основном в плазме и включает: дигидрофосфат ион Н₂РО₄ — и гидрофосфат ион НРО₄ 2- .

Отношение [HPO₄ 2- ]/[H₂PO₄ — ] в плазме крови (при рН = 7,4) равно 4 : 1. Следовательно, эта система имеет буферную ёмкость по кислоте больше, чем по основанию.

Например, при увеличении концентрации катионов Н + во внутриклеточной жидкости, например, в результате переработки мясной пищи, происходит их нейтрализация ионами НРО₄ 2- :

Образующийся избыточный дигидрофосфат выводится почками, что приводит к снижению величины рН мочи.

При увеличении концентрации оснований в организме, например при употреблении растительной пищи, они нейтрализуются ионами Н₂РО₄ 1- :

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. Фосфатная буферная система крови характеризуется меньшей буферной ёмкостью, чем гидрокарбонатная, из-за малой концентрации компонентов крови. Однако эта система играет решающую роль не только в моче, но и в других биологических средах – в клетке, в соках пищеварительных желез, в моче.

Составляет 5 % буферной ёмкости. Он состоит из белка-кислоты и его соли, образованной сильным основанием.

1. При образовании в организме сильных кислот они взаимодействуют с солью белка. При этом получается эквивалентное количество белок-кислоты: НС1 + Pt-COONa ↔ Pt-COOH + NaCl. По закону разбавления В. Оствальда увеличение концентрации слабого электролита уменьшает его диссоциацию, рН практически не меняется.

2. При увеличении щелочных продуктов они взаимодействуют с

Pt-СООН: NaOH + Pt-COOH ↔ Pt-COONa + H₂O

Количество кислоты уменьшается. Однако концентрация ионов Н + увеличивается за счет потенциальной кислотности белок-кислоты. поэтому практически рН не меняется.

Белок – это амфотерный электролит и поэтому проявляет собственное буферное действие.

Читайте также: Соболев очерки по истории украшения тканей

Рассмотрим взаимодействие буферных систем в организме по стадиям:

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

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 (рН = 7,4).

6. Образовавшийся СО₂ взаимодействует с компонентами белковой буферной системы:

СО₂ + Рt-NH₂ ↔ Pt-NHCOOH ↔ H + + Pt-NHCOO —

7. Избыток протонов нейтрализуется фосфатным буфером:

Образующийся СО₂ выводится через легкие. В результате уменьшения концентрации НСО₃ — 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 гидрофофат-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 СО₂

Гемоглобиновую буферную систему можно рассматривать как одно из важнейших звеньев в транспорте СО₂ из тканей в легкие.

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

Буферные растворы в организме человека

Буферные растворы − это растворы, сохраняющие неизменными значения рН при разбавлении или добавлении небольшого количества сильной кислоты или основания.

Протолитические буферные растворы представляют собой смеси электролитов, содержащие одноимённые ионы.

Существует два типа протолитических буферных растворов:

Кислотные, состоящие из слабой кислоты и избытка сопряженного с ней основания (соли, образованной сильным основанием и анионом этой кислоты);
Основные, состоящие из слабого основания и избытка сопряженной с ним кислоты (т.е. соли, образованной сильной кислотой и катионом этого основания).

Уравнение буферной системы рассчитывается по формуле Гендерсона-Гассельбаха:

С – молярная или эквивалентная концентрация электролита (C = V N)

Механизм действия буферных растворов можно рассмотреть на примере ацетатного буфера: СН₃СООН + СН₃СООNa [1].

Высокая концентрация ацетат-ионов обусловлена полной диссоциацией сильного электролита – ацетата натрия, а уксусная кислота в присутствии одноименного аниона существует в растворе практически в неионизированном виде.

Из уравнения видно, что сильная кислота НС1 заменяется эквивалентным количеством слабой кислоты СН₃СООН. Количество СН₃СООН увеличивается и по закону разбавления В. Оствальда степень диссоциации уменьшается. В результате этого концентрация ионов Н + в буфере увеличивается, но очень незначительно, при этом рН сохраняется постоянным.

При добавлении кислоты к буферу рН определяется по формуле:

В результате этого щелочь заменяется эквивалентным количеством слабоосновной соли CH₃COONa. Количество СН₃СООН убывает и по закону разбавления В. Оствальда степень диссоциации увеличивается за счет потенциальной кислотности оставшихся недиссоциированных молекул СН₃СООН. Следовательно, концентрация ионов Н + практически не изменяется, и рН остаётся постоянным.

Читайте также: Особенности образовательной ткани является активное деление клеток

При добавлении щелочи рН определяется по формуле:

Таким образом, рН буфера зависит от константы диссоциации и соотношения концентрации компонентов. Чем эти величины больше, тем больше рН буфера. Стоит отметить, что рН буфера будет наибольшим при соотношении компонентов равным единице [2].

Буферная ёмкость − это способность буферной системы противодействовать изменению рН среды.

Буферная ёмкость (В) выражается количеством моль-эквивалентов сильной кислоты или щелочи, которое следует добавить к одному литру буфера, чтобы сместить рН на единицу.

где В – буферная ёмкость, n_Э– количество моль-эквивалента сильной кислоты или щелочи, рН_Н – начальное значение рН ( до добавления кислоты или щелочи), рН_К– конечное значение рН (после добавления кислоты или щелочи), ΔрН – изменение рН.

На практике буферная ёмкость рассчитывается по формуле:

где V – объём кислоты или щелочи, N – эквивалентная концентрация кислоты или щелочи, V_буф.— объём буферного раствора, Δ рН – изменение рН.

Буферная ёмкость зависит от концентрации электролитов и соотношения компонентов буфера. Наибольшей буферной ёмкостью обладают растворы с большей концентрацией компонентов и соотношением компонентов, равным единице [3].

В организме человека действуют следующие буферные системы:

Бикарбонатный буфер, представляющий собой основную буферную систему плазмы крови; он является системой быстрого реагирования, так как продукт его взаимодействия с кислотами СО₂– быстро выводится через легкие. Помимо плазмы, эта буферная система содержится в эритроцитах, интерстициальной жидкости, почечной ткани.
Гемоглобиновый буфер является главной буферной системой эритроцитов, на долю которой приходится около 75% всей буферной ёмкости крови. Участие гемоглобина в регуляции рН крови связано с его ролью в транспорте кислорода и СО₂. 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.
Фосфатный буфер содержится как в крови, так и в клеточной жидкости других тканей, особенно почек. В клетках он представлен солями К₂НРО₄и КН₂РО₄, а в плазме крови и в межклеточной жидкости Na₂HPO₄и NaH₂PO₄. Функционирует в основном в плазме и включает: дигидрофосфат ион Н₂РО₄ — и гидрофосфат ион НРО₄ 2- .
Белковый буфер состоит из белка-кислоты и его соли, образованной сильным основанием [4].

Белок – это амфотерный электролит и поэтому проявляет собственное буферное действие. Взаимодействие буферных систем в организме по стадиям:

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

pH крови человека в среднем составляет 7,4, изменение данного значения даже на одну десятую единицы приводит к тяжелым нарушениям (ацидоза или алкалоза). Когда водородный показатель выходит за пределы диапазона 6,8 — 7,8, это обычно ведет к гибели. Важнейшее буферная система крови — угольная (HCO₃ — / H₂CO₃), вторая по значению — фосфатный (HPO₂ -4 / H₂PO -4 ), также определенную роль в поддержании pH играют белки [6].

1. Лурье Ю.Ю. Справочник по аналитической химии Справ, изд.-6-е изд., перераб. и доп.— М.: Химия, 1989. — 448 с.: ил. — ISBN 5-7245-0000-0

2. Бончев П. Р. Введение в аналитическую химию. Л.: Химия, 1978.-

3. Васильев В.П. Аналитическая химия: В 2 ч. М.: Высш. шк., 2005. Ч. 1. — 320 с.; Ч. 2. — 384 с.

4. Крешков А.Н. «Основы аналитической химии» 1-2 том. М.:Химия, 1965.-285 с.

5. Лурье Ю. Ю. Справочник по аналитической химии. М.:Химия, 1989.- 297 с.

6. Янсон Э. Ю., Путнинь Я. К. Теоретические основы аналитической химии. М.: Высшая школа, 1980.

Свежие записи
- Балкон в многоквартирном доме: является ли он общедомовым имуществом?
- Штраф за остекление балкона в 2022: что это и как избежать наказания
- Штраф за мусор с балкона: сколько заплатить за выбрасывание окурков
- Оформление балконного окна: выбираем шторы из органзы
- Как выбрать идеальные шторы для маленькой кухни с балконом