Буферные системы организма. Кислотно-основное состояние крови

Буферная емкость.

Величина, характеризующая способность буферного раствора противодействовать смещению реакции среды при добавлении кислот и щелочей, называется буферной емкостью.

Буферная емкость (В) измеряется количеством моль или ммоль эквивалента кислоты или щелочи, добавление которого к 1 л буферного раствора изменяет рН на единицу.

В=C·V/∆pH·V_буф,

где В - буферная емкость,

С - концентрация кислоты или основания,

V - объем данного электролита,

V_буф – объем буферного раствора,

∆pH – изменение рН.

Буферная емкость зависит от ряда факторов:

1. Чем выше концентрации компонентов буферного раствора, тем больше его буферная емкость.

2. Буферная емкость зависит от отношения концентраций компонентов, а следовательно, и от рН буфера. При рН=рК_а буферная емкость максимальна.

3. Установлено, что достаточное буферное действие наблюдается, если концентрация одного из компонентов превышает концентрацию другого не более, чем в 10 раз.

Интервал рН=рК_а±1 называется зоной буферного действия.

4. При разбавлении буферного раствора величина буферной емкости уменьшается вследствие снижения концентрации компонентов раствора.

Пример: Рассчитайте ёмкость буферного раствора по кислоте, если при добавлении к 50мл этого раствора 2мл HCl рН изменился от 7,3 до 7,0.

Образец решения: Используем формулу:

Организм человека владеет специальным механизмом координации физиологических и биохимических процессов и может поддерживать на определенном уровне содержание разных веществ, а именно: газов, воды, электролитов, ионов металлов и Водорода, биолигандов. Эта координация по предложению К. Кеннона была названная гомеостазом. Важной составляющей этого процесса является поддержание определенного значения рН среды биожидкости, достигаемое с помощью физиологических и физико-химических механизмов. Физиологические системы регулирования рH связаны с работой легких, почек и рассматриваются в курсе физиологии.

Под физико-химическим механизмом понимают действие буферных систем. Они предоставляют возможность организма, как открытой термодинамической системе реализовать принцип Ле Шателье, т.е. активно противодействовать влиянию внешних факторов, направленных на смену кислотности его физиологических жидкостей - крови, желчи, мочи, секретов внутренних желез.

Буферные системы организма – это, прежде всего, гидрокарбонатная, гемоглобиновая, фосфатная и белковая. Все эти системы имеются в крови, где с их помощью особенно строго поддерживается рН=7,4±0,05, несмотря на поступление в кровь из кишечника и тканей значительного количества кислот и небольшого- оснований.

Гидрокарбонатная буферная система состоит из угольной кислоты (донор протона) и сопряженного основания (акцептор протона) в растворе.

Ее особенность в том, что один из компонентов- угольная кислота образуется при взаимодействии растворенного в плазме СО₂ с водой. Между СО₂ в альвеолах и гидрокарбонатным буфером в плазме крови, протекающей через капилляры легких, устанавливается цепочка равновесий:

Угольная кислота при физиологическом значении рН=7,4 находится преимущественно в виде, а отношение компонентов буферной системы крови = 20:1. Таким образом, главное назначение гидрокарбонатного буфера заключается в нейтрализации кислот:

Нейтрализация оснований:

Гидрокарбонатная буферная система является системой быстрого эффективного реагирования, т.к. продукт ее взаимодействия с кислотами- углекислый газ- быстро выводится через легкие. Нарушение кислотно- основного равновесия в организме компенсируется прежде всего гидрокарбонатным буфером (за 10–15 минут).

Гидрокарбонатный буфер обеспечивает около 55% от всей буферной емкости крови. Он содержится также в эритроцитах, межклеточной жидкости и в почечной ткани.

Уравнение Гендерсона-Гассельбаха для гидрокарбонатного буфера имеет вид:

Согласно цепочке равновесий содержание Н₂СО₃ определяется концентрацией растворенного СО₂ , которая по закону Генри пропорциональна давлению СО₂ в газовой фазе. В конечном счете оказывается_, что [H₂CO₃] пропорциональна р(СО₂ ) и уравнение Гендерсона-Гассельбаха с учетом этого принимает вид:

Фосфатная буферная система содержится в крови и клеточной жидкости других тканей, особенно почек. В клетках она представлена и, а в плазме крови и межклеточной жидкости и. Роль донора протона в этой системе играет ион, а акцептора протона – ион. Из уравнения Гендерсона-Гассельбаха для фосфатной буферной системы

следует, что при значении рН_крови=7,4 отношение. Следовательно, и эта система имеет буферную емкость по кислоте больше, чем по основанию. При накоплении катионов Н⁺ во внутриклеточной жидкости, например, после приема мясной пищи происходит их нейтрализация ионами:

(выводится почками, моча кислая, рН≈4,8)

При увеличении концентрации оснований в организме, например при употреблении растительной пищи, они нейтрализуются ионами:

(удаляется почками, моча щелочная, рН≈7,5)

Фосфатная буферная система более «консервативна», чем гидрокарбонатная, т.к. фосфатная система работает преимущественно с почками, а гидрокарбонатная с легкими. Длительность восстановления отношения до нормы составляет 2-3 суток, а для - 10-18 часов. Этот факт необходимо учитывать при терапевтической коррекции нарушений кислотно-основного равновесия организма.

Белковые буферные системы бывают анионного (основного) и катионного (кислотного) типов, в зависимости от кислотно-основных свойств белка, которые характеризуются его изоэлектрической точкой (рI). Изоэлектрические точки большинства белков плазмы крови лежат в слабокислой среде (рI=4,9-6,3). При рН>рI эти белки существуют в анионной форме, а при рН<рI - катионной.

Анионный белковый буфер работает в крови (рН>6). Он состоит из белка-основания (анионная форма белка ― акцептор Н⁺) и сопряженной кислоты (диполярный ион ― донор Н⁺):

белок-основание (В) белок-соль ― сопряженная кислота()

Механизм действия:

Катионная белковая буферная система обычно поддерживает величину рН в физиологических средах с рН<6. Она состоит из белка-кислоты (катион белка-донор Н⁺) и сопряженного основания (диполярный ион ― акцептор Н⁺):

белок-кислота(НА) белок-соль ― сопряженное основание ()

Механизм действия:

Гемоглобиновая и оксигемоглобиноваябуферные системы ― мощные системы эритроцитов. В качестве донора выступают две слабые кислоты: гемоглобин и оксигемоглобин. Роль акцептора выполняют сопряженные этим кислотам основания, т.е. их анионы и.

Механизм буферного действия гемоглобиновых систем основан на следующих реакциях:

.

(нейтрализация кислот) (нейтрализация оснований)

Гемоглобиновые системы крови эффективно функционируют только в сочетании с другими буферными системами крови.

Дата добавления: 2014-01-04