Теоретическая часть. Среди буферных систем организма есть органические буферы (белковый, гемоглобиновый, органический фосфатный) и неорганические буферы (гидрокарбонатныйСреди буферных систем организма есть органические буферы (белковый, гемоглобиновый, органический фосфатный) и неорганические буферы (гидрокарбонатный, неорганический фосфатный, аммонийный). Состав буферных систем в крови и внутри клеток различен: в крови преобладает натрий, поэтому в состав буферных систем плазмы входят натриевые соли. В клетках преобладает калий, поэтому в состав внутриклеточных буферов входят калиевые соли. Гемоглобиновый буфер выполняет функции буферной системы крови, хотя сам гемоглобин находится внутри эритроцитов. Органический фосфатный буфер работает только внутри клеток. Белковая буферная система есть и в крови, и в клетках, однако представлена разными белками. Принципы работы буферных систем организма не отличаются от рассмотренных ранее примеров. В организме в процессе метаболизма выделяется огромное количество органических кислот, но рН крови всегда остается постоянной. РНкрови= 7, 35-7, 4 Почему? Это связано с работой буферных систем организма.
ГИДРОКАРБОНАТНЫЙ (БИКАРБОНАТНЫЙ) БУФЕР Состав гидрокарбонатного буфера: H2CO3 NaHCO3 в плазме, внеклетоочной. жидкости
H2CO3 KHCO3 в эритроцитах
Емкость бикарбонатного буфера значительна из-за того, что СО2 постоянно образующийся в больших количествах в наших тканях, легко превращается в угольную кислоту. Образование H2CO3 из СО2 и воды катализирует фермент карбоангидраза. СО2 + H2О = H2CO3 Особенность гидрокарбонатного буфера: а) действует быстро б) связывает кислые продукты метаболизма:
CH3-CH-COOH молочная кислота OH
CH3-C-COOH пировиноградная кислота ПВК O
HOOC-CH2-C-COOH щавелево-уксусная кислота ЩУК O Ацетоуксусная, β -оксимасляная, уксусная, лимонная кислоты
Механизм действия: а) H+ NaHCO3 + H+ = Na+ + H2CO3
Na+ + HCO3 - + H+ = Na+ + H2CO3
HCO3 - + H+ = H2CO3 Слабый электролит, не диссоциирует на ионы ВЫВОД При повышении концентрации H+ происходит их взаимодействие с гидрокарбонат ионом, находящимся в крови, с образованием угольной кислоты. Между СО2 в альвеолах и бикарбонатным буфером в плазме крови, протекающей через капилляры легких, устанавливается цепочка равновесий: Атмосфера СО2(г) СО2(р) H2CO3 H+ + HCO3 - ± Н2О При повышении концентрации протонов водорода происходит их взаимодействие с находящимися в крови HCO3 -, и равновесие смещается влево, в сторону образования углекислого газа. Избыток СО2 выделяется через легкие. При снижении концентрации протонов водорода (сдвиг в щелочную сторону) равновесие в буферной системе смещается вправо, в сторону образования H+. Образующийся при этом избыток HCO3-, выводится почками в мочу. Уравнение Гендерсона – Гассельбаха для буфера первого типа на примере гидрокарбонатного буфера Выразим константу диссоциации для слабой кислоты: H2CO3 = Н+ + HCO3-
Ка = [НСО3-]× [Н+] [Н2СО 3 ]
тогда [Н+] = Ка× [Н2СО3] [НСО3-]
Так как H2CO3 неустойчивая, разлагается на СО2 и Н2О, то ее содержание определяется концентрацией растворенного СО2, которая пропорциональна парциальному давлению СО2 в газовой фазе (по закону Генри): СО2 р-р = а× р(СО2). [Н2СО3] = а× рСО2 где а – константа растворимости СО2 в воде (0, 033) рСО2 – парциальное давление СО2 ≈ 40 мм рт.ст. [НСО3-] – 24 ммоль/л (22-26 ммоль/л) рКа угольной кислоты – 6, 2
[Н+] = Ка× [Н2СО3] = Ка × 40× 0, 03 [НСО3-] 24 Прологарифмируем уравнение, взяв левую и правую часть уравнения с обратным знаком: -lg[Н+]= -lgКа -lg [Н2СО3] [НСО3-] рН = рКа -lg [Н2СО3] или рН = рКа + lg [НСО3-] [НСО3-] [Н2СО3]
рН = 6, 2 + lg24/ 1, 2 рН = 6, 2 + lg20 рН = 6, 2 + l, 2 = 7, 4 При нормальных значениях параметров рСО2 и, особенно, концентрации [НСО3-] бикарбонатный буфер стремится поддерживать необходимый рН биологических жидкостей. Необходимое соотношение [НСО3-] = 18-20 [Н2СО3] 1 Высокая концентрация [НСО3-] обеспечивает связывание кислых продуктов метаболизма. [НСО3-] – это кислотно-щелочной резерв крови (КЩР). Снижение [НСО3-] ведет к накоплению [Н+] или ацидозу. Вследствие того, что концентрация NaHCO3 в крови значительно превышает [H2CO3], буферная емкость этой системы будет значительна по кислоте: b к = 40 ммоль/л и bщ = 1-2 ммоль/л. ФОСФАТНЫЙ БУФЕР Под этим название объединены свойства многих органических молекул, содержащих фосфатные группы: нуклеотиды, нуклеиновые кислоты, фосфосахара. Входящие в их состав остатки фосфорной кислоты способны протонироваться при ацидозе и депротонироваться при алкалозе, обеспечивая эффективное поддержание рН в цитоплазме и ядре клеток. Например, ДНК состоит из тысяч нуклеотидов, объединенных в цепи. В каждом нуклеотиде есть фосфатная группа, несущая отрицательный заряд в нормальных условиях рН, и готовая принять протоны при ацидозе. Органические фосфаты работают только внутри клеток, поскольку заряженные молекулы не проходят из клеток в кровь. Состав фосфатного неорганического буфера: NaН2РО4 Na2НРО4
Дигидрофосфат гидрофосфат натрия Кислотная компонента основная компонента Играет важную роль в поддержании рН внутриклеточной жидкости и, особенно, слюны. Н2РО4 - анионывыполняют роль слабой кислоты НРО4 2- анионы выполняют роль соли. рH = pKа + lg Ccоли Cкислоты рКа Н2РО4 - в условиях плазмы крови (при 37° С) =6, 86 [НРО4 2 - ] =1, 6 [ Н2РО4 - ] рН = 6, 86 + lg1, 6 рН = 7, 4 Отношение [НРО4 2 - ] при рН = 7, 4 равно 4: 1 [Н2РО4 - ] и не изменяется, т.к. при избыточном накоплении одного из компонентов, он выделяется с мочой. b - буферная емкость фосфатной системы меньше, чем у карбонатной: b к = 1-2 ммоль/л b щ = 0, 5 ммоль/л Поэтому фосфатная система принимает участие в нейтрализации как кислых, так и основных продуктов метаболизма. В связи с малым содержанием фосфатов в плазме крови она менее мощная, чем гидрокарбонатная. Основная роль фосфатного буфера заключается в выведении H+ в мочу. В почках: НРО4 2- + H+ = Н2РО4 - Образующийся дигидрофосфат-анион выделяется в мочу. Ежесуточно из организма экскретируется (выводится) 30-40 ммоль ионов водорода. БЕЛКОВЫЙ БУФЕР Наибольшей общей емкостью обладают белковые буферные системы вследствие высокого содержания белка в крови. Белки при рН=7, 35±0, 05 представляют собой полианионы. Они на своей поверхности содержат минимум 2 типа групп, способных протонироваться и депротонироваться: это аминогруппы (-NH2) и карбоксильные группы (-СООН) аминокислот, из которых состоят белки. При нормальных значениях рН карбоксильные группы диссоциированы до – СОО-, т.е. белки несут отрицательный заряд. При нарастании ацидоза часть карбоксильных групп связывает протоны и принимает вид – СООН, а часть аминогрупп приобретает вид –NH3+. Заряд белка при этом существенно меняется, вплоть до смены на противоположный знак. Поскольку количество аминокислот в белках велико, а уровень белка значительный (в плазме крови от 60 до 80 г/л), белковый буфер играет существенную роль в борьбе с ацидозом. Снижение концентрации белка в организме приводит к ухудшению буферных свойств крови и создает условие для избытка протонов водорода. В плазме крови в количественном отношении больше всего альбуминов – небольших белковых молекул, содержащих от 450 до 700 аминокислот. Они не подвергаются денатурации при связывании протонов, поэтому так называемую «сухую плазму» (обезвоженный альбумин) используют для внутривенного введения при различных интоксикациях с явлениями ацидоза. Внутри клеток буферную роль выполняют белки цитоплазмы. ГЕМОГЛОБИНОВЫЙ БУФЕР Гемоглобин – крупная белковая молекула-тетрамер, т.е. она состоит из 4 полипептидных цепей (субъединиц) строго определенного состава. Каждая субъединица содержит небелковую молекулу – гем, в центре которого содержится атом железа (Fe2+). При связывании с кислородом степень окисления железа не меняется, т.к. кислород присоединяется координационными связями. В тканях в условиях более низкого рН и парциального давления кислорода, чем в легких, координационное взаимодействие нарушается, и кислород уходит в клетки, а гемоглобин остается в свободном состоянии. Гемоглобиновый буфер состоит из двух форм гемоглобина: HHb - восстановленный гемоглобин, HHb является слабой кислотой. HHbО2 - окисленный гемоглобин является более сильной к-той. В ряду: HHb Н2СО3 HHbО2 оксигемоглобин кислотность увеличивается. Условно гемоглобиновый буфер можно записать так: а) HHb H+ + Hb - КHb К+ + Hb - б) HHbО2 H+ + HbО2 - КHbО2 К+ + HbО2 - В легких, где парциальное давление кислорода рО2> рСО2 происходит: HHb + О2 = HHbО2
HHbО2 + КНСО3 = Н2СО3 + КHbО2 Гидрокарбонат калиевая соль калия оксигемоглобина (в эритроцитах) H2CO3 разлагается на СО2 и H2О. Избыток СО2 выделяется через легкие. В тканях, где парциальное давление кислорода рО2< рСО2 происходит: КHbО2 КHb + О2
В работающих тканях происходит постоянное выделение Н2СО3 в венозную кровь.
КHb + Н2СО3 = КНСО3 +НHb Слабая к-та слабый эл-т КНСО3 = К + + НСО3 – Образующийся НСО3 – выходит из эритроцитов, пополняя КЩР крови. Буферная емкость плазмы на 75% определяется гидрокабонатным буфером, на 24% - гемоглобиновым буфером и лишь на 1% -неорганическим фосфатным буфером.
|
