Автор работы: Пользователь скрыл имя, 29 Сентября 2013 в 23:06, реферат
Кровь содержит 4 основные буферные системы.
1. Гидрокарбонатная. На ее долю приходится 50% емкости. Она работает главным образом в плазме и играет центральную роль в транспорте СО2.
2. Белковая. На ее долю приходится 7% емкости.
3. Гемоглобиновая, на нее приходится 35% емкости. Она представлена гемоглобином и оксигемоглобином.
4. Гидрофосфатная буферная система - 5% емкости. Гидрокарбонатная и гемоглобиновая буферные системы выполняют
центральную и чрезвычайно важную роль в транспорте СО2 и установлении pH. В плазме крови pH 7,4. СО2 - продукт клеточного метаболизма, выделяющийся в кровь.
БУФЕРНЫЕ СИСТЕМЫ КРОВИ
Кровь содержит 4 основные буферные системы.
1. Гидрокарбонатная. На ее долю приходится 50% емкости. Она работает главным образом в плазме и играет центральную роль в транспорте СО2.
2. Белковая. На ее долю приходится 7% емкости.
3. Гемоглобиновая, на нее приходится 35% емкости. Она представлена гемоглобином и оксигемоглобином.
4. Гидрофосфатная буферная система - 5% емкости. Гидрокарбонатная и гемоглобиновая буферные системы выполняют
центральную и чрезвычайно важную роль в транспорте СО2 и установлении pH. В плазме крови pH 7,4. СО2 - продукт клеточного метаболизма, выделяющийся в кровь. Диффундирует через мембрану в эритроциты, где реагирует с водой с образованием Н2СО3. Соотношение устанавливается равным 7, и pH будет 7,25. Кислотность повышается, при этом имеют место реакции:
Образующийся НСО3- выходит через мембрану и уносится током крови. В плазме крови при этом pH 7,4. Когда венозная кровь вновь попадает в легкие, гемоглобин реагирует с кислородом с образованием оксигемоглобина, который является более сильной кислотой: ННb + + O2 ↔ НHbО2. pH понижается, так как образуется более сильная кислота, происходит реакция: НHbО2 + НСО3- ↔ HbO2- + Н2СO3. Затем СО2 выделяется в атмосферу. Таков один из механизмов транспорта СО2 и О2.
Гидратация и дегидратация СО2 катализируется ферментом карбо-ангидразой, которая имеется в эритроцитах.
Основания также связываются буферным раствором крови и выделяются с мочой, главным образом в виде одно- и двузамещенных фосфатов.
В клиниках всегда определяют резервную щелочность крови.
54. Буферные системы их классификация
и механизм действия. Емкость буферных
систем.
Буферными системами (буферами) называют
растворы, обладающие свойством достаточно,
стойко, сохранять постоянство - концентрации
водородных ионов как при добавлении кислот
или щелочей, так и при разведении. Буферные
системы (смеси или растворы) по составу
бывают двух основных типов: а) из слабой
кислоты и ее соли, образованной сильным
основанием; б) из слабого основания и
его соли, образованной сильной кислотой.
На практике часто применяют следующие
буферные смеси: ацетатный буфер CH3COOH
+ CH3COONa, бикарбонатный буфер H2CO3+NaHCO3,
аммиачный буфер NH4OH +NH4Cl, белковый
буфер белок кислота + белок соль, фосфатный
буфер NaH2PO4 + Na2 HPO4
Фосфатная буферная смесь состоит из двух
солей, одна из которых является однометаллической,
а вторая - двухметаллической солью фосфорной
кислоты. Ацетатный буфер. Рассмотрим
механизм буферного действия. При добавлении
соляной кислоты к ацетатному буферу происходит
взаимодействие с одним из компонентов
смеси (СНзСООН); Из уравнения (а), сильная
кислота заменяется эквивалентным количеством
слабой кислоты (в данном случае НСl заменяется
СН3СООН). В соответствии с законом
разведения Оствальда повышение концентрации
уксусной кислоты понижает степень ее
диссоциации, а в результате этого концентрация
ионов Н+ в буфере увеличивается
незначительно. При добавлении к буферному
раствору щелочи концентрация водородных
ионов и рН изменяется также незначительно.
Щелочь при этом будет реагировать с другим
компонентом буфера, (СН3СООН) по
реакции нейтрализации. В результате этого
добавленная щелочь заменяется эквивалентным
количеством слабоосновной соли, в меньшей
— степени влияющей на реакцию среды.
Анионы СНзСОО~, образующиеся при диссоциации
этой соли, будут оказывать некоторое
Угнетающее действие на диссоциацию уксусной
кислоты. Буферной емкостью (В) называется
количество сильной кислоты или сильного
основания, которое нужно прибавить к
одному литру буферного раствора, чтобы
изменить его рН на единицу. Она выражается
в моль/л или чаще в ммоль/л и определяется
по формуле: В = (c V) / д pH Vб , где В - буферная
емкость; с - концентрация сильной кислоты
или основания (моль/л); V - объем добавленного
сильного электролита (л); Vб - объем
буферного раствора (л); д рН - изменение
рН.
^ 55. Буферные системы крови.
Наиболее мощными буферными системами
крови являются гемоглобиновый и оксигемоглобиновый
буфера, которые составляют примерно 75%
всей буферной емкости крови. Буферные,
свойства гемоглобина по своему механизму
действия идентичны белковым буферным
системам: кислые продукты обмена веществ
взаимодействуют с калиевой солью гемоглобина
с образованием эквивалентного количества
их калиевых солей и свободного гемоглобина,
обладающего свойством слабой органической
кислоты. Кроме того, система оксигемоглобин
– гемоглобин участвует в ещё одном своеобразном
механизме поддержания постоянства рН
крови. Как известно, венозная кровь содержит
большие количества углекислоты в виде
бикарбонатов, а также С02, связанной
с гемоглобином. Через легкие углекислота
выделяется в воздух; однако сдвига рН
крови в щелочную сторону не происходит,
так как образующийся оксигемоглобин
является более сильной кислотой, чем
гемоглобин. В тканях, в артериальной крови
под влиянием низкого парциального давления
кислорода оксигемоглобин диссоциирует
и кислород диффундирует в ткани. Образующийся
при этом гемоглобин, однако, не обусловливает
изменения рН крови в щелочную сторону,
так как в кровь из тканей поступает углекислота.
Учитывая, что постоянство кислотно-щелочного
равновесия в организме играет существенную
роль в течение всех биохимических процессов,
в клинике при анализе крови значительный
интерес представляет определение резервной
щелочности крови. В поддержании в организме
кислотно-щелочного равновесия участвуют
несколько буферных систем, как-то: оксигемоглобиновый,
белковый; карбонатный и фосфатный, а также
ряд органов — легкие, почки, кожа, печень,
одной из функций! которой является нейтрализация
кислых продуктов обмена, и кишечник.
57. Понятие о кислотно-щелочном состоянии
крови.
Величина рН крови зависит от концентраций
свободной растворенной в крови Н2СОз
и кислоты, связанной в гидрокарбонат-ион.
Концентрацию углекислоты, растворенной
в крови, можно найти по формуле [СО2своб]
= s p CO2 где Рсо2 - парциальное
давление углекислого газа в воздухе,
находящемся в равновесии с кровью; s -
коэффициент растворимости углекислого
газа в крови. Для определения суммарной
концентрации СО2 в крови к ней добавляют
сильную кислоту и измеряют объем выделяюще-
гося газа. Таким образом, пользуясь газоаналитическим
методом определения гидрокарбонат-иона
и СО2, можно вычислить величину
рН плазмы. Из уравнения Гендерсона-Гассельбаха
нетрудно рассчитать соотношение гидрокарбонат-иона
и угольной кислоты в крови при, рН = 7.4.
Оно равно 20:1. Избыток гидрокарбоната
обеспечивает так называемый щелочной
резерв крови. При поступлении в кровь
кислот гидрокарбонат нейтрализует их,
а избыток СО2 выводится через легкие,
вызывая увеличение легочной
^ Классификация буферных систем
1. Кислотные.
Состоят из слабой кислоты и соли этой
кислоты. Например, ацетатная буферная
система (CH3COOH+ СН3СООNa ), гидрокарбонатная
буферная система (H2CO3
+NaHCO3 ).
2. Основные.
Состоят из слабого основания и его соли.
Например, аммиачная буферная система
(NH3×H2O + NH4Cl).
3. Солевые.
Состоят из кислой и средней соли или двух
кислых солей. Например, карбонатная буферная
система (NaHCO3+Na2CO3 ), фосфатная
буферная система (КН2PO4 + К2НPO4).
4. ^ Аминокислотные и белковые. Если суммарный
заряд молекулы аминокислоты или белка
равен нулю (изоэлектрическое состояние),
то растворы этих соединений не являются
буферными. Их буферное действие начинает
проявляться тогда, когда к ним добавляют
некоторое количество кислоты или щелочи.
Тогда часть белка (аминокислоты) переходит
из изоэлектрического состояния в форму
“белок-кислота” или соответственно
в форму “белок-основание”. Образуется
смесь двух форм белка: а) слабая “белок-кислота”
+ соль этой слабой кислоты; б) слабое “белок-
основание” + соль этого слабого основания:
где R - макромолекулярный остаток белка.
^ Расчет рН буферных систем
Для расчета рН в буферном растворе на
примере ацетатного буфера рассмотрим
процессы, в нем протекающие, и их влияние
друг на друга.
Ацетат натрия практически полностью
диссоциирует на ионы, ацетат-ион подвергается
гидролизу, как ион слабой кислоты:
CH3COONa ® Na+ + CH3COO–
CH3COO– + HOH ⇄ CH3COOH + OH–
Уксусная кислота, также входящая в буфер,
диссоциирует лишь в незначительной степени:
CH3COOН ⇄ CH3COO– + H+
Слабая диссоциация СН3СООН еще
более подавляется в присутствии СН3СООNa,
поэтому концентрацию недиссоциированной
уксусной кислоты принимаем практически
равной ее начальной концентрации:
[СН3СООН] = [кислота]
С другой стороны, гидролиз соли также
подавлен наличием в растворе кислоты.
Поэтому можно считать, что концентрация
ацетат-ионов в буферной смеси практически
равна исходной концентрации соли без
учета концентрации ацетат-ионов, образующихся
в результате диссоциации кислоты:
[СН3СОО–] = [соль]
Согласно закону действующих масс, равновесие
между продуктами диссоциации уксусной
кислоты и недиссоциированными молекулами
подчиняется уравнению:
Кд =
.
Подставив общую концентрацию кислоты
и соли в уравнение константы диссоциации,
получим: [Н+] = Кд
,
отсюда для
кислотных буферных систем: рН = рК(кислоты)
+ lg
. Это уравнение называют уравнением Гендерсона – Гассельбаха.
После аналогичного вывода для основных буферных систем:
рОН = рК(основания)
+ lg
, рН =14 – рК(основания) – lg
где рК(кислоты), рК(основания)
- отрицательный десятичный логарифм константы
электролитической диссоциации слабой
кислоты; слабого основания; [соль] - концентрация
соли, [кислота] - концентрация кислоты,
[основание] - концентрация основания.
Из этих уравнений видно, что рН кислотной (основной) буферной системы
зависит от природы слабого электролита
(рК(кислоты), рК(основания))
и от соотношения концентраций соли и
кислоты (основания).
Следует отметить, что буферные системы
эффективно поддерживают рН в диапазоне:
рК(кислоты) ± 1 для кислотных систем; 14 – (рК(основания) ±
1) для основных систем.
^ Механизм действия буферных систем:
1. Разбавление.
При разбавлении водой происходит уменьшение
концентрации обоих компонентов в буферной
системе в одинаковой степени, поэтому
величина их соотношения не изменится.
рК(кислоты) и рК(основания)
являются постоянными при данной температуре
и не зависят от разбавления. Действительно,
одновременное понижение концентраций
кислоты и соли в ацетатной буферной системе
от 0,1М до 0,001М при разбавлении водой изменяет
рН буферного раствора с 4,63 до 4,73 (это ничтожное
изменение рН при разбавлении буферного
раствора в 100 раз обусловлено некоторым
изменением коэффициента активности соли).
Следовательно, разбавление в конечном итоге мало изменяет
рН буферных систем.
2. ^ Добавление кислот и оснований. При добавлении
небольших количеств сильных кислот или
оснований рН буферных систем изменяется
незначительно. Например, рассмотрим ацетатный
буфер:
СН3СООН
/ СН3СОО–
кислотный компонент – основной компонент–
слабая кислота сопряженное основание
а) При
добавлении к ацетатному буферу небольшого
количества HCl, происходит взаимодействие
ионов Н+ с основным компонентом
буферного раствора:
Н+ + СН3СОО– ⇄ СН3СООН.
Степень диссоциации СН3СООН мала
и концентрация [H+] практически не
меняется. рН буферного раствора уменьшится,
но незначительно.
Таким образом, если к ацетатному буферу
добавить Х моль/л HCl, то уравнение для
расчета рН буферной системы принимает
вид:
рН = рК(кислоты)
+ lg
б) При
добавлении небольшого количества NaOH,
– ионы нейтрализуются кислотным компонентом
буферного раствора:
+ СН3СООН ⇄ СН3СОО – + Н2О.
В результате этого, добавленное сильное
основание заменяется эквивалентным количеством
слабого сопряженного основания (СН3СОО–),
которое в меньшей степени влияет на реакцию
cреды. рН буферного раствора увеличивается,
но незначительно.
Таким образом, если к ацетатному буферу
добавить У моль/л NaOH, то уравнение для
расчета рН буферной системы принимает
вид:
рН = рК(кислоты)
+ lg
Буферная
емкость
Способность буферного раствора сохранять
значение рН при добавлении сильной кислоты
или щелочи приблизительно на постоянном
уровне характеризует буферная емкость.
Буферная
емкость (В) - это число молей эквивалента
сильной кислоты или щелочи, которое необходимо
добавить к 1 л буферного раствора, чтобы
сместить его рН на единицу.
Буферная емкость системы определяется
по отношению к добавляемым кислоте (Вкисл.)
или основанию (щелочи) (Восн.) и рассчитывается
по формулам:
Вкисл.=
Восн.=
где V(HA), V(B) - объемы добавленных кислоты
или щелочи, л.; Сн(НА), Сн(В)
- молярные концентрации эквивалента соответственно
кислоты и щелочи; V(б.р.) - объем исходного
буферного раствора, л.; рНо, рН -
значения рН буферного раствора до и после
добавления кислоты или щелочи; |рН-рНо|
- разность рН по модулю.
Буферная емкость по отношению к кислоте
(Вкисл.) определяется концентрацией
(количеством эквивалентов) компонента
с основными свойствами; буферная емкость
по отношению к основанию (Восн.)
определяется концентрацией (количеством
эквивалентов) компонента с кислотными
свойствами в буферном растворе.
Максимальная буферная емкость при добавлении
сильных кислот и оснований достигается
при соотношении компонентов буферного
раствора равном единице, когда рН = рК,
при этом Восн. = В кисл. (рис.1).
Рис.1. Изменение буферной емкости в зависимости
от величины
отношения [соль]/[кислота].
Поэтому, применение любой буферной смеси
ограничено определенной областью рН
(областью буферирования), а именно:
рН = рК(кислоты) ± 1 для кислотных систем, или
рН= 14 – (рК(основания) ± 1) для основных систем.
Буферная емкость зависит не только от
отношения концентраций компонентов буферного
раствора, но и от общей концентрации буферной
смеси.
Пусть, например, даны два буферных раствора,
один из которых содержит по 100, а другой
– по 10 миллимолей уксусной кислоты и
ацетата натрия. Сравним, как изменяются
их рН при добавлении к 1 л каждого раствора
5 миллимолей соляной кислоты.
Добавляемая кислота вступит в реакцию
с ацетатом натрия, и это отношение в первом
растворе станет равным 0,9, а во втором
0,33. В итоге у первого раствора отношение
соль/кислота и, следовательно, величина
рН изменились меньше. Отсюда видно, что
первый буферный раствор обладает большей
буферной емкостью.
Таким образом, буферная емкость в основном зависит
от соотношения концентраций компонентов
и их абсолютных концентраций, а следовательно,
от разбавления.
Буферные
системы организма
Главным источником ионов водорода в организме
является углекислый газ, образующийся
в результате метаболизма (обмена веществ) »
15000 ммоль/сутки.
Гидратация углекислого газа приводит
к образованию угольной кислоты:
СО2 + Н2О ⇄ Н2СО3 ⇄
+ Н+
В меньшей степени количество ионов Н+
(30–80 ммоль/сутки) обусловлено поступлением
в организм, а также образованием в нем
таких кислот как серной (в результате
обмена серусодержащих аминокислот), фосфорной
(при метаболизме фосфорсодержащих соединений),
органических кислот, образующихся при
неполном окислении липидов и углеводов.
Организм освобождается от кислот благодаря
процессам дыхания и мочевыделения, т.е.
в организме существует взаимосвязь между
метаболическими процессами и газообменом.
В оценке кислотно-основного состояния
организма важно не только определение
значения рН, но и характеристика механизмов,
обеспечивающих регуляцию этого параметра.
Если бы в организме не было немедленных
буферных механизмов и респираторной
(дыхательной) компенсации, то тогда даже
обычные, ежедневные нагрузки кислотами
сопровождались бы значительными колебаниями
величины рН.
Постоянство рН жидких сред организма
поддерживается в живых организмах буферными
системами. Главным из них являются гидрокарбонатная,
гемоглобиновая, фосфатная и белковая.
Действие всех буферных систем в организме
взаимосвязано, что обеспечивает биологическим
жидкостям постоянное значение рН. В организме
человека и животных буферные системы
находятся в крови (плазме и эритроцитах),
в клетках и межклеточных пространствах
других тканей.
ХИМИЧЕСКИЕ БУФЕРНЫЕ СИСТЕМЫ
Химические буферные системы представлены, в основном, бикарбонатным, фосфатным, белковым и гемоглобиновым буферами. Буферные системы начинают действовать сразу же при увеличении или снижении [H+] и способны устранить умеренные сдвиги КЩР в течение 10-40 с. Ёмкость и эффективность буферных систем крови весьма высока (табл. 13-2).
Таблица 13-2. Относительная ёмкость буферов крови (в %)
Плазма крови |
Эритроциты | |
Гидрокарбонатный Гемоглобиновый Белковый Фосфатный Общая ёмкость |
35 7 1 43 |
18 35 4 57 |
Принцип действия химических буферных систем заключается в трансформации сильных кислот и сильных оснований в слабые. Гидрокарбонатная буферная система - основной буфер крови и межклеточной жидкости. Гидрокарбонатный буфер внеклеточной жидкости состоит из смеси угольной кислоты - H2CO3 и гидрокарбоната натрия - NaHCO3. В клетках в состав соли угольной кислоты входят калий и магний. Гидрокарбонатный буфер - система открытого типа, она ассоциирована с функцией внешнего дыхания и почек (табл. 13-3).
Фосфатная буферная система играет существенную роль в регуляции КЩР внутри клеток, особенно - канальцев почек. Это обусловлено более высокой концентрацией фосфатов в клетках по сравнению с внеклеточной жидкостью. Фосфатный буфер состоит из двух компонентов: щелочного - (Na2HPO4) и кислого - (NaH2PO4). Белковая буферная система - главный внутриклеточный буфер. На его долю приходится примерно три четверти буферной ёмкости внутриклеточной жидкости. Компонентами белкового буфера являются слабодиссоциирующий белок с кислыми свойствами (белок-COOH) и соли сильного основания (белок-COONa).
Гемоглобиновая буферная система - наиболее ёмкий буфер крови. Гемоглобиновый буфер состоит из кислого компонента - оксигенированного HbO2 и основного - неоксигенированного Hb. Карбонаты костной ткани функционируют как депо для буферных систем организма. В костях содержится большое количество солей угольной кислоты: карбонаты кальция, натрия, калия и др. При быстром увеличении содержания кислот (например, при острой сердечной, дыхательной или почечной недостаточности; шоке, коме и других состояниях) костная ткань может обеспечивать до 30-40% буферной ёмкости.
Постоянство рН внутренней среды организма обусловлено совместным действием буферных систем и ряда физиологических механизмов. К последним относятся дыхательная деятельность легких и выделительнаяфункция почек.
Кислотно-основное равновесие – относительное постоянство реакции внутренней среды организма, количественно характеризующееся
или концентрацией водородных и
«Первая линия защиты» живых организмов, препятствующая изменениям рН их внутренней среды, обеспечивается буферными системами крови.
Буферная
система представляет собой сопряженную
кислотно-основную пару, состоящую из акцептора идонора водородных ионов (прот
Поведение буферных растворов описывается уравнением Гендерсона– Хассельбаха, которое связывает значение рН с константой кислотности (Ка):
Уравнение Гендерсона–Хассельбаха
позволяет вычислить величину рКа любой кислоты при данном рН (если известно
отношение молярных концентраций донора и акцептора протонов), определить величину рН сопряженной
кислотно-основной пары при данном молярном соотношении донора и акцептора протонов(если известна величина рКа)
и рассчитать соотношение между молярными концентрациями донор
Установлено, что состоянию
нормы соответствует
Бикарбонатная буферная система – мощная и, пожалуй, самая управляемая система внеклеточнойжидкости и крови. На долю бикарбонатного буфера приходится около 10% всей буферной емкости крови. Бикарбонатная система представляет собой сопряженную кислотно-основную пару, состоящую из молекулыугольной 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 диссоциацииуго
Истинная концентрация недиссоц
где K1– «кажущаяся» константа диссоциа
При нормальном значении рН крови (7,4) концентрация ио
Механизм действия данной
системы заключается в том, что
при выделении в кровь относите
Если в крови увеличивается количество оснований, то они, взаимодействуя со
слабой угольной кислотой, образуют ионы бикарбоната и во
Фосфатная буферная система представляет собой сопряженную кислотно-основную пару, состоящую из иона Н2РО4– (донор протонов
Роль кислоты в этой системе выполняет однозамещенный фосфат NaH2PO4, а роль соли двузамещенный фосфат
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–