Буферные системы организма человека

Органические буферы: белковый, гемоглобиновый, органический фосфатный.

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 большое количество органических кислот, но рН крови всегда остается постоянным.

pH крови = 7,35 - 7,4

Постоянство рН обеспечивается работой буферных систем организма.

ГИДРОКАРБОНАТНЫЙ (БИКАРБОНАТНЫЙ) БУФЕР

Состав гидрокарбонатного буфера:

H₂CO₃ - NaHCO₃ в плазме, внеклеточной жидкости

H₂CO₃ - KHCO₃ в эритроцитах

Емкость бикарбонатного буфера значительна из-за того, что постоянно образующийся СО₂ в больших количествах в тканях, легко превращается в угольную кислоту. Распад и образование H₂CO₃ из СО₂ и воды катализирует фермент карбоангидраза: СО₂ + H₂О = H₂CO₃

ОСОБЕННОСТИ ГИДРОКАРБОНАТНОГО БУФЕРА.

а) действует быстро (почему?)

б) связывает кислые продукты метаболизма (ПВК, ЩУК, молочная, уксусная, лимонная кислоты)

Механизм действия:

NaHCO₃ = Na⁺ + HCO₃ ^-

Na⁺ + HCO₃ ^- + H⁺ = Na⁺ + H₂CO₃

Слабый электролит,

мало диссоциирует на ионы

Между СО₂ в альвеолах и бикарбонатным буфером в плазме крови, протекающей через капилляры легких, устанавливается цепочка равновесий:

СО₂(г) ↔ СО₂(р) ↔ H₂CO₃ ↔ H⁺ + HCO₃^-

± Н₂О

легкие почки

При повышении концентрации протонов в крови происходит их взаимодействие с HCO₃^- и равновесие смещается влево, в сторону образования СО₂. Избыток СО₂ выделяется через легкие. При снижении концентрации протонов (сдвиг в щелочную сторону) равновесие в буферной системе смещается вправо, в сторону образования H⁺. Образующийся при этом избыток HCO₃^- выводится почками в мочу.

КИСЛОТНО-ЩЕЛОЧНОЙ РЕЗЕРВ КРОВИ (КЩР)

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:

bк = 40 ммоль-экв/л, а по основанию bщ = 1-2 ммоль-экв/л.

ФОСФАТНЫЙ БУФЕР

Под этим названием объединены свойства многих органических молекул, содержащих фосфатные группы: нуклеотиды, нуклеиновые кислоты, фосфосахара. Входящие в их состав остатки фосфорной кислоты способны протонироваться при ацидозе (закисление среды) и депротонироваться при алкалозе (защелачивание среды), 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 при физиологических рН, и готовая принять протоны при ацидозе. Органические фосфаты работают только внутри клеток.

СОСТАВ ФОСФАТНОГО НЕОРГАНИЧЕСКОГО БУФЕРА

NaН₂РО₄ Na₂НРО₄

Дигидрофосфат гидрофосфат натрия

кислотная компонента осн о вная компонента

Этот буфер играет важную роль в поддержании рН внеклеточной жидкости и, особенно, слюны.

Н₂РО₄ ^- -анионывыполняют роль слабой кислоты

НРО₄ ^2- -анионы выполняют роль соли.

Так как рКа (Н₂РО₄ ^-) = 6,86 в плазме крови при 36,6°С и

[НРО ₄ ^{2 -} ] _{= 1,6}

[ Н₂РО₄ ^- ]

из уравнения Гендерсона-Гассельбаха следует, что рН = 6,86 + lg1,6, т.е.

рН = 7,4.

Отношение [НРО ₄ ^{2 -} ] при рН = 7,4

[Н₂РО₄ ^- ]

не изменяется, т.к. при избыточном накоплении одного из компонентов, он выделяется с мочой.

Особенности фосфатного буфера. Буферная емкость фосфатной системы меньше, чем карбонатной:

b к = 1-2 ммоль-экв/л b щ = 0,5 ммоль-экв/л

Буферная емкость по кислоте и основанию имеет близкие значения, 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 30-40 ммоль ионов H⁺.

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^-, а аминогруппы протонированы до NH₃⁺, т.е. белки могут нести как отрицательный заряд, так и положительный (амфотерность). Но большая часть белков имеет заряд (-).При нарастании ацидоза часть карбоксильных групп связывает протоны и принимает вид – СООН, а часть аминогрупп – NH₃⁺. Суммарный 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.

В плазме крови в количественном отношении больше всего альбуминов – небольших белковых молекул. 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 – крупный белковый ассоциат-тетрамер, т.е. состоит из 4 полипептидных цепей (субъединиц) строго определенного аминокислотного состава. Каждая субъединица содержит небелковую молекулу – гем, в центре которого находится атом железа (Fe²⁺). При связывании с O₂ 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 - свободный гемоглобин, является слабой кислотой.

HHbО₂ - оксигемоглобин является более сильной кислотой. 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 здоровых тканях происходит постоянное выделение Н₂СО₃ в венозную кровь.

КHb + Н₂СО₃ = КНСО₃ + НHb

слабая к-та,

слабый электролит

КНСО₃ = К ⁺ + НСО₃ ^–

Образующийся НСО₃ ^– выходит из эритроцитов, пополняя КЩР крови.

Буферная емкость плазмы на 75% определяется гидрокарбонатным буфером, на 24% - гемоглобиновым буфером и лишь на 1% - неорганическим фосфатным буфером.

Дата добавления: 2014-01-05