Механизм буферного действия системы гемоглобин оксигемоглобин

YOBA-3000 / Khimia_1_7_Bufernye_sistemy (1)

Буферные системы

Буферные растворы

• Организм человека располагает тонкими механизмами координации происходящих в нем процессов и поддержания постоянства внутренней среды.

• Эта координация называется гомеостазом. Она осуществляется с помощью гуморальной регуляции, т.е. через кровь, тканевую жидкость, лимфу с помощью биологически активных веществ (ферментов, гормонов и других веществ).

• Сохранение постоянства pH жидких сред организма имеет очень важное значение для жизнедеятельности человеческого организма, т.к.

• Ионы H+ катализируют многие биохимические превращения (расщепление белков в жкт),

• Кроме того, многие ферменты и гормоны проявляют свою биологическую активность только в строго определенном интервале pH

• Даже незначительные сдвиги pH могут оказать существенное влияние на величину осмотического давления биологических жидкостей.

Буферные растворы

• Поддержание на постоянном уровне концентрации ионов водорода способствуют буферные растворы — растворы, рН которых не меняется при добавлении к ним небольших количеств сильных кислот, щелочей, а также при разведении.

• Простейший буферный раствор — это смесь слабой кислоты и соли, имеющей с этой кислотой общий анион — буферная система I типа.

• Смесь слабого основания и соли с общим катионом.

Классификация буферных растворов

1 тип буферных растворов:

• Ацетатный — CH3COOH и СН3СООNa

• Фосфатный — NaH2PO4 и Na2HPO4

• Бикарбонатный — H2CO3 и NaHCO3

• Белковый — PtCOOH и PtCOONa

• Гемоглобиновый — HHb и KHb

• Оксигемоглобиновый — HhbO2 и KHbO2

* Все ацетатные буферные системы входят в состав организменных сред

2 тип буферных растворов:

Аммиачный — NH4OH и NH4Cl

По более современной классификации БР делят на следующие группы:

1. БР, состоящие из слабой кислоты и ее аниона — HA/A- (CH3COOH / CH2COO-)

2. БР, состоящие из слабого основания и его катиона — B/BH+ (NH4OH / NH4+)

3. БР, состоящие из аниона кислой и средней соли, или из анионов двух кислых солей, например, фосфатная буферная система — H2PO4-/HPO42-

4. БР, состоящие из ионов и молекул амфолитов. К ним относятся белковые БС, гемоглобиновая и оксигемоглобиновая БС.

pH буферных растворов

• Так как концентрация ионов CH3COO- велика из-за диссоциации соли, процесс диссоциации CH3COOH по принципу Ле-Шателье сдвинут влево, поэтому концентрация недиссоциированных молекул CH3COOH практически равна общей концентрации кислоты в БР.

• А концентрация ионов CH3COO- равна концентрации соли в БР, поэтому:

Механизм буферного действия

• Если к буферному раствору добавить сильную кислоты, то ионы водорода будут соединяться с анионами с образованием слабого электролита и реакция среды при этом не меняется:

• CH3COONa + HCl = CH3COOH + NaCl

• CH3COO- + H+ = CH3COOH

pH практически не изменится, т.к. добавленный сильный электролит замещается эквивалентным количеством слабого электролита

Механизм буферного действия

Если к буферному раствору прибавить сильное основание, то ионы ОН- будут взаимодействовать с ионами Н+, которые содержатся в небольшом количестве, вследствие небольшой диссоциации кислоты. В результате образуется Н2О.

Кроме этого, увеличение концентрации ионов СН3СОО- приводит к смещению равновесия процесса диссоциации СН3СООН влево, поэтому рН не изменяется:

• CH3COOH + NaOH = CH3COONa + H2O

• CH3COOH + OH- = CH3COO- + H2O

Уравнение Гендерсона-Гассельбаха показывает, что рН буферного раствора данного состава определяется соотношением кислоты и соли не зависит от разбавления, т.к. при изменении объема раствора концентрация каждого компонента изменяется в одинаковое число раз, а их соотношение остается постоянным.

Буферная емкость.

• Способность буферного раствора сохранять рН при добавлении сильных кислот или щелочей не беспредельна и ограничена величиной, называемой буферной емкостью.

• За единицу буферной емкости принята емкость такого БР, для изменения рН которого на единицу требуется введение сильной кислоты или щелочи в количестве 1 моль эквивалента на 1 литр буферного раствора.

Буферная емкость

• От природы и общих концентраций компонентов буферного раствора, а также от соотношения их концентраций:

• Чем больше концентрация компонентов и

• Чем ближе отношение кислота/соль к 1, тем больше буферная емкость.

Буферные системы крови

• Для каждой биологической жидкости характерно определенное значение рН и сохранение этого значения имеет очень важную роль для нормальной жизнедеятельности организма.

• Значение рН крови в норме 7.36, которое поддерживается за счет буферных систем, содержащихся в крови.

Буферные системы плазмы крови

• Водородкарбонатная (гидрокарбонатная) — состоит из слабой H2CO3 и сопряженного основания HCO3-

• Углекислота образуется при взаимодействии растворенного в плазме СО2 с водой:

СО2 + Н2О = Н2СО3

• при поступлении в кровь кислот (например, молочной кислоты) гидрокарбонат их нейтрализует, а избыток СО2 выводится через легкие, вызывая увеличение легочной вентиляции.

• Таким образом, соотношение НСО3-/Н2СО3, а следовательно, и рН крови не меняется.

• у гидрокарбонатной буферной системы наибольшая взаимосвязь со всеми буферными системами и вне-, и внутриклеточных жидкостей

• нарушение в любой буферной системе сказывается на концентрациях составляющих гидрокарбонатной БС, поэтому изменение ее параметров может достаточно точно характеризовать состояние дыхательных или метаболических нарушений, т.е. кислотно-основного состояния.

• Фосфатная буферная система состоит из слабой кислоты Н2РО4- и сопряженного основания НРО42-. В основе ее действия лежит равновесие:

Н2РО4- ↔ НРО42- + Н+

• Фосфатная буферная система способна сопротивляться изменению рН в интервале 6,2-8,2, т.е. обеспечивает значительную долю буферной емкости крови.

• Отношению НРО42-/Н2РО4- в плазме крови равно 4:1, поэтому данная буферная система имеет более высокую емкость по кислоте, чем по щелочи (Вк = 1-2 ммоль/л; Вщ = 0,5 ммоль/л)

В связи с малым содержанием фосфатов в плазме крови она менее мощная, чем гидрокарбонатная, однако, эта система играет решающую роль в других биологических средах — в клетке, моче и соках пищеварительных желез.

• Белковые буферные системы — состоят из остатков аминокислот, которые содержат -NH2 группы, имеющие слабый основный характер, и -СООН группы, со слабыми кислотными свойствами, поэтому белки способны противодействовать как подкислению, так и подщелачиванию среды.

• при увеличении количества ионов Н+ (при избыточном образовании молочной кислоты при гипоксии или 3 гидроксимасляной кислоты при диабетическом кетозе) обе эти реакции сдвигаются влево, образуя PtCOOH и СО2, избыток которого выводится через легкие.

Буферная емкость, определяемая белками плазмы, зависит от:

• концентрации белков в плазме,

• их вторичной и третичной структуры,

• а также числа свободных протон-акцепторных групп.

• Эта система способна нейтрализовать как кислые, так и основные продукты, однако, вследствие преобладания формы белок-основание, ее буферная емкость значительно выше по кислоте и составляет для альбуминов 10ммоль/л, а для глобулинов — 3 ммоль/л

Буферные системы эритроцитов

-гемоглобиновая/оксигемоглобиновая

БС, на долю которой приходится 75% буферной емкости крови.

-Гемоглобиновый буфер является разновидностью белковой БС и состоит из 2х форм гемоглобина:

Восстановленного (ННb)

Окисленного (ННbO2)

В эритроцитах система гемоглобин/оксигемоглобин играет важную роль в процессах дыхания (транспортная функция по переносу О2 к тканям и органам и удаление из них метаболического СО2), а также в поддержании постоянства рН внутри эритроцитов, а в результате и в крови в целом).

В основе действия системы гемоглобин/оксигемоглобин лежит следующее уравнение:

ННb + O2 = HHbO2

HHb является более слабой кислотой, чем ННbO2:

К(HHb) = 6.3*10-9

K(HHbO2) = 1.12*10-7

Поэтому ион Hb- способен активнее связывать протон Н+, чем ион HbO2

В организме гемоглобиновые БС взаимодействуют с гидрокарбонатной БС.

Совместное действие гемоглобиновой и гидрокарбонатной БС.

• В капиллярах большого круга кровообращения оксигемоглобин диссоциирует и отдает О2 тканям:

HHbO2 = HHb + O2

• Вследствие образования восстановленного гемоглобина, являющегося более слабой кислотой, снижается степень диссоциации кислотных групп гемоглобина и уменьшается отдача ионов Н+ в среду, но активная реакция среды (рН) не меняется, т.к. из тканей в кровь поступает СО2

• Под действием угольной ангидразы СО2 превращается в Н2СО3, при этом происходит одновременный процесс ее диссоциации:

Н2СО3 ↔ Н+ + НСО3-

• Образующиеся в ходе этой реакции ионы Н+ связываются в эритроцитах с восстановленным гемоглобином, который освобождает часть связанных ионов К+:

КHb + H+ = HHb + K+

• Часть ионов НСО3- образуют с ионами К+ соединение КНСО3, другая часть ионов НСО3- переходит в плазму, где образуется NaHCO3

• Из плазмы в обмен на ионы НСО3- в эритроциты переходят ионы Cl-, которые с ионами К+ образуют KCl

В капиллярах большого круга кровообращения:

• В легочных капиллярах

Через тончайшую легочную мембрану по градиенту парциального давления О2 переходит в плазму и эритроциты, при этом происходит оксигенация гемоглобина

HHb + O2 = HHbO2 = H+ + HbO2-

Ионы Н+ связываются с гидрокарбонат-ионами, а ионы К+ с гемоглобином:

Н+ + НСО3 = Н2СО3

К+ + Нb- = KHb

Угольная кислота под действием карбоангидразы разлагается на СО2 и Н2О.

Образовавшийся СО2 переходит из эритроцитов в плазму, диффундирует в легкие и удаляется с выдыхаемым воздухом.

Вследствие уменьшения концентрации НСО3- в плазме крови, из эритроцитов в плазму переходят ионы Cl-, где связываются с ионами Na+.

В результате этих преобразований соотношение в артериальной крови HCO3-/H2CO3 остается оптимальным (20:1).

Кислотно-основное состояние

Таким образом, благодаря буферному действию буферных систем происходит лишь небольшое снижение рН крови, т.е. сохраняется кислотно-основное состояние, несмотря на поступление в кровь значительных количеств кислот,

Т.к. в процессе усвоения пищи в организме генерируется значительное количество диоксида углерода (550-775 г/сут), при взаимодействии которого с влагой образуется угольная кислота в количестве, эквивалентном поступлению в кровь от 25 до 35 ммоль/сут ионов Н+.

Кислотно-основное состояние организма — неотъемлемая часть гомеостаза внутренней среды организма.

Физиологические системы регуляции кислотно-основного состояния связаны с функциональной активностью легких и почек.

Смещение кислотно-основного равновесия крови в сторону повышения концентрации ионов Н+ (снижения рН) и уменьшения резервной щелочности называется ацидозом.

Смещение его в сторону снижения концентрации ионов водорода (повышение рН) и увеличение резервной щелочности — алкалозом.

Ацидоз и алкалоз

В зависимости от механизма развития расстройств кислотно-основного состояния выделяют

-дыхательный

-метаболический ацидоз и алкалоз.

Метаболический ацидоз характеризуется нарушением метаболизма и может наступить в результате следующих причин:

-избыточное введение или образование в организме стойких кислот (поступление кетокислот при голодании и диабете,

-повышенное образование молочной кислоты при шоке; поступление кислот с пищей, питьем, медикаментами, в результате вдыхания загрязненного воздуха и т.д.);

-неполное удаление кислот (при почечной недостаточности);

-избыточные потери HCO3- иона (в результате поноса, колита, язвы кишечника

Метаболический алкалоз наступает вследствие:

-потери ионов Н+ (рвоте, кишечной непроходимости и др.);

-увеличения концентрации НСО3- иона (при потере воды, введение солей органических кислот — молочной, уксусной, лимонной, катаболизирующихся с поглощением ионов Н+).

Соседние файлы в папке YOBA-3000

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

Источник

Буферные системы крови

Установлено, что состоянию нормы соответствует определенный диапазон колебаний рН крови — от 7,37 до 7,44 со средней величиной 7,40 . Кровь представляет собой взвесь клеток в жидкой среде, поэтому ее кислотно-основное равновесие поддерживается совместным участием буферных систем плазмы и клеток крови. Важнейшими буферными системами крови являются бикарбонатная, фосфатная, белковая и наиболее мощная гемогло-биновая.

Бикарбонатная буферная система — мощная и, пожалуй, самая управляемая система внеклеточной жидкости и крови. На долю бикарбонатного буфера приходится около 10% всей буферной емкости крови. Бикарбонатная система представляет собой сопряженную кислотно-основную пару, состоящую из молекулы угольной кислоты Н2СО3, выполняющую роль донора протона, и бикарбонат-иона НСО3-, выполняющего роль акцептора протона:

Для данной буферной системы величину рН в растворе можно выразить через константу диссоциации угольной кислоты (рКН2СО3) и логарифм концентрации недиссоциированных молекул Н2СО3 и ионов HCO3-:

Истинная концентрация недиссоциированных молекул Н2СО3 в крови незначительна и находится в прямой зависимости от концентрации растворенного углекислого газа (СО2 + Н2О <=> Н2СО3). Поэтому удобнее пользоваться тем вариантом уравнения, в котором рКH2СО3 заменена «кажущейся» константой диссоциации Н2СО3, учитывающей общую концентрацию растворенного СО2 в крови:

где K1- «кажущаяся» константа диссоциации Н2 С О3 ; [СО2(р)] — концентрация растворенного СО2.

При нормальном значении рН крови (7,4) концентрация ионов бикарбоната НСО3 в плазме крови превышает концентрацию СО2 примерно в 20 раз. Бикарбонатная буферная система функционирует как эффективный регулятор в области рН 7,4.

Механизм действия данной системы заключается в том, что при выделении в кровь относительно больших количеств кислых продуктов водородные ионы Н+ взаимодействуют с ионами бикарбоната НСО3-, что приводит к образованию слабодиссоциирующей угольной кислоты Н2СО3. Последующее снижение концентрации Н2СО3 достигается в результате ускоренного выделения СО2 через легкие в результате их гипервентиляции (напомним, что концентрация Н2СО3 в плазме крови определяется давлением СО2 в альвеолярной газовой смеси).

Если в крови увеличивается количество оснований, то они, взаимодействуя со слабой угольной кислотой, образуют ионы бикарбоната и воду. При этом не происходит сколько-нибудь заметных сдвигов в величине рН. Кроме того, для сохранения нормального соотношения между компонентами буферной системы в этом случае подключаются физиологические механизмы регуляции кислотно-основного равновесия: происходит задержка в плазме крови некоторого количества СО2 в результате гиповентиляции легких . Как будет показано далее, данная буферная система тесно связана с гемоглобиновой системой.

Фосфатная буферная система представляет собой сопряженную кислотно-основную пару, состоящую из иона Н2РО4- (донор протонов) и иона НРО42- (акцептор протонов):

Роль кислоты в этой системе выполняет однозамещенный фосфат NaH2PO4, а роль соли двузамещенный фосфат — Na2HPO4.

Фосфатная буферная система составляет всего лишь 1% от буферной емкости крови. В других тканях эта система является одной из основных. Для фосфатной буферной системы справедливо следующее уравнение:

Во внеклеточной жидкости, в том числе в крови, соотношение [НРО42-]: [Н2РО4-] составляет 4:1. Величина рКН2РО4- равна 6,86.

Буферное действие фосфатной системы основано на возможности связывания водородных ионов ионами НРО42- с образованием Н2РО4- (Н+ + + НРО42- -> Н2РО4-), а также ионов ОН- с ионами Н2РО4- (ОН- + + Н2 Р О4- -> HPO42-+ H2O). Буферная пара (Н2РО4—НРО42-) способна оказывать влияние при изменениях рН в интервале от 6,1 до 7,7 и может обеспечивать определенную буферную емкость внутриклеточной жидкости, величина рН которой в пределах 6,9-7,4. В крови максимальная емкость фосфатного буфера проявляется вблизи значения рН 7,2. Фосфатный буфер в крови находится в тесном взаимодействии с бикарбонатной буферной системой. Органические фосфаты также обладают буферными свойствами, но мощность их слабее, чем неорганического фосфатного буфера.

Белковая буферная система имеет меньшее значение для поддержания КОР в плазме крови, чем другие буферные системы.

Белки образуют буферную систему благодаря наличию кислотно-основных групп в молекуле белков: белок-Н+ (кислота, донор протонов) и белок (сопряженное основание, акцептор протонов). Белковая буферная система плазмы крови эффективна в области значений рН 7,2-7,4.

Гемоглобиновая буферная система — самая мощная буферная система крови. Она в 9 раз мощнее бикарбонатного буфера; на ее долю приходится 75% от всей буферной емкости крови.

Участие гемоглобина в регуляции рН крови связано с его ролью в транспорте кислорода и углекислого газа. Константа диссоциации кислотных групп гемоглобина меняется в зависимости от его насыщения кислородом. При насыщении кислородом гемоглобин становится более сильной кислотой (ННbО2). Гемоглобин, отдавая кислород, превращается в очень слабую органическую кислоту (ННb).

Итак, гемоглобиновая буферная система состоит из неионизированного гемоглобина ННb (слабая органическая кислота, донор протонов) и калиевой соли гемоглобина КНb (сопряженное основание, акцептор протонов). Точно так же может быть рассмотрена оксигемоглобиновая буферная система. Система гемоглобина и система оксигемоглобина являются вза-имопревращающимися системами и существуют как единое целое. Буферные свойства гемоглобина прежде всего обусловлены возможностью взаимодействия кисло реагирующих соединений с калиевой солью гемоглобина с образованием эквивалентного количества соответствующей калийной соли кислоты и свободного гемоглобина:

КНb + Н2СO3-> КНСO3 + ННb.

Именно таким образом превращение калийной соли гемоглобина эритроцитов в свободный ННb с образованием эквивалентного количества бикарбоната обеспечивает поддержание рН крови в пределах физиологически допустимых величин, несмотря на поступление в венозную кровь огромного количества углекислого газа и других кисло реагирующих продуктов обмена.

Гемоглобин (ННb), попадая в капилляры легких, превращается в окси-гемоглобин (ННbО2), что приводит к некоторому подкислению крови, вытеснению части Н2СО3 из бикарбонатов и понижению щелочного резерва крови . Перечисленные буферные системы крови играют важную роль в регуляции кислотно-основного равновесия. Как отмечалось, в этом процессе, помимо буферных систем крови, активное участие принимают также система дыхания и мочевыделительная система.

Источник