Механизм действия буферных растворов.
Механизм буферного действия можно объяснить на примере ацетатной БС CH3COO-/CH3COOH, в основе которой лежит кислотно-основное равновесие:
CH3COOH = CH3COO- + H+
Главный источник ацетат-ионов – сильный электролит CH3COONa:
CH3COONa = CH3COO- + Na+
При добавлении сильной кислоты сопряженное основание CH3COO- связывает добавочные ионы Н+, превращаясь в слабую уксусную кислоту:
CH3COO-+H+=CH3COOH (кислотно-основное равновесие смещается влево, по Ле-Шателье)
Уменьшение концентрации анионов CH3COO- точно уравновешивается повышением концентрации молекул СН3СООН. В результате происходит небольшое изменение в соотношении концентрацией слабой кислоты и её соли, а, следовательно, и незначительно изменятся рН.
При добавлении щёлочи протоны уксцсной кислоты (резервная кислотность) высвобождаются и нейтрализуют добавочные ионы ОН-, связывая их в молекулах воды:
СН3СООН+ОН-=СН3СОО-+Н2О (кислотно-основное равновесие смещается вправо, по Ле-Шателье)
В этом случае также происходит небольшое изменение в соотношении концентраций слабой к-ты и её соли, а, следовательно, и незначительное изменение рН. Уменьшение концентрации слабой к-ты СН3СООН точно уравновешивается повышением концентрации анионов СН3СОО-.
Буферная ёмкость. Какие условия следует соблюдать, чтобы получить раствор
максимальной буферной ёмкостью?
Способность буферных растворов сохранять постоянство рН ограничена. Прибавлять к-ту и щёлочь, существенно не меняя рН буферного р-ра, можно лишь в ограниченных кол-вах.
|
|
Величину, характеризующую способность буферного раствора противодействовать смешению реакции среды при добавлении кислот и щелочей, называют буферной ёмкостью раствора.
Величина буферной емкости зависит от концентраций компонентов буферной системы и от их соотношения.
Чем более концентрированным является буферный раствор, тем выше его буферная емкость, т.к. в этом случае добавление небольших количеств сильной кислоты или щелочи не вызовет существенного изменения концентраций его компонентов, а значит и их соотношения. Максимальная ёмкость тогда, когда соотношение компонентов в БС 1:1.
Буферные системы крови, их роль в поддерживании протолитического гомеостаза живых организмов.
Гемоглобиновый буфер
Составляет 35 % буферной ёмкости.
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:
HHb ↔ H+ + Hb-
HHbO2 ↔ H+ HbO2-
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 ННb прежде всего обусловлены возможностью взаимодействия кислореагирующих соединений с калиевой солью гемоглобина с образованием эквивалентного количества соответствующей калийной соли кислоты и свободного гемоглобина:
КНb + Н2СО3 ↔ КНСО3 + ННb.
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.
В лёгких: ННb + O2 ↔ HHbO2;
HHbO2 + HCO3- ↔ HbO2 + H2O + CO2 ↑
В тканях: HbO2 ↔ Hb- + O2; Hb- + Н2СО3 ↔ ННb + HCO3-
Кроме того, гемоглобиновый буфер является сложным белком и действует как белковый буфер.
Фосфатный 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 НРО42-.
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- :
|
|
Н + + НРО4 2- ↔ Н2РО4 1-
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-:
ОН ‾ + Н2РО4 1- ↔ НРО4 2- + Н2О
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.
Белковый буфер
Составляет 5 % буферной ёмкости. Он состоит из белка-кислоты и его соли, образованной сильным основанием.
Pt – COOH - белок-кислота
Pt – COONa – белок-соль
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.
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-
HbO2-↔ Нb- + О2
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:
СО2 + Н2О ↔ Н2СО3 ↔ Н+ + НСО3-
4. Образующийся избыток протонов связывается с гемоглобинат-ионами:
Н+ + Нb- → HHb
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).
5. Поступающие в плазму гидрокарбонат-ионы нейтрализуют накапливающийся там избыток протонов, возникающий в результате метаболических процессов:
НСО3- + Н+ ↔ Н2СО3 ↔ Н2О + СО2
6. Образовавшийся СО2 взаимодействует с компонентами белковой буферной системы:
СО2 + Рt-NH2 ↔ Pt-NHCOOH ↔ H+ + Pt-NHCOO-
7. Избыток протонов нейтрализуется фосфатным буфером:
Н+ + НРО4- ↔ Н2РО4-
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:
НСО3- + ННbО2 ↔ НbО2- + СО2 + Н2О
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): 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.
9. Значение БС
Необходимым условием функционирования любого организма является поддержание динамического постоянства его внутренних сред, т.е. гомеостаза. В ходе различных биохимических реакций в организме постоянно образуются или расходуются Н+ или ОН-, поэтому значение рН внутренних сред должно непрерывно изменяться, но в результате согласованного действия различных систем организма (лёгких, печени, почек, органов пищеварения и др.) рН биологических жидкостей сохраняется постоянным.
Дата добавления: 2018-11-24; просмотров: 1885; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!