Как составить буферную систему

Буферные системы.

Одним из важнейших свойств веществ
внутренней среды организмов является
постоянство рН, которое необходимо для
сохранения оптимальных условий обменных
процессов, происходящих в организме.
Постоянство рН внутренних сред организма
поддерживается наряду с физиологическими
механизмами буферными системами.
Буферными называются системы,
состоящие из двух сопряженных компонентов,
способных до определенного предела
противодействовать изменению рН при
добавлении к ним некоторого количества
сильной кислоты или щелочи, а также при
разбавлении или концентрировании.
Способность буферных систем столько
сохранять постоянство значений рН
называют буферным действием. Буферными
свойствами обладают системы, состоящие
из раствора слабой кислоты и ее соли с
сильным основанием, или из раствора
слабого основания и его соли с сильной
кислотой. По названию слабого электролита
дается название буферной системе. Роль
слабого электролита выполняет либо
слабое основание, либо слабая кислота.
Роль сильного электролита выполняет
соль буферной кислоты или буферного
основания. Различают кислые и основные
буферные системы. С точки зрения
протолитической теории кислыми
называются буферные системы, состоящие
из слабой кислоты и сопряженного с ней
избытка основания, создаваемого солью
этой кислоты. Примером кислой буферной
системы служит ацетатный буфер

CH3COOH
и СH3COONa

Основными
считаются буферные системы, состоящие
из слабого основания и сопряженного с
ним избытка кислоты, который создается
солью этого основания. Примерим основной
буферной системы может служить
аммиачный 6уфер:

NH4OH
и NH4CI

Буферными
свойствами обладают также гидрокарбонатный
буфер H2CO3
и NaHCO3
, фосфатный буфер Na2HPO4
и NaH2PO4
или KHPO4
и KH2PO4

Буферные системы в растворенном состоянии
образуют буферные растворы. Буферные
растворы обладают всеми свойствами
буферных систем, но, в отличие от буферных
систем, буферные растворы могут быть
многокомпонентными, т.е. содержать в
своем составе несколько буферных систем.
Так, в крови человека насчитывается
шесть буферных систем.

Механизм буферного действия.

Механизм буферного действия
заключается в способности буферных
систем поддерживать постоянство рН за
счет того, что избыток протонов H+
или гидроксидионов ОН,
поступающих в организм, связывается
буферными компонентами в слабодиссоциирующие
соединения. Рассмотрим механизм буферного
действия на примере ацетатного буфера:

CH3COOH
↔CH3COO
+ H+

CH3COONa
↔CH3COO
+ Na+

При добавлении соляной
кислоты к ацетатному буферу происходит
взаимодействие соляной кислоты одним
из компонентов, и частности с ацетатом
натрия СН3СООNа:

HCI + NaOH = CH3COONa
+ NaCI

Т.е. избыточные протоны Н+
соляной кислоты свяжутся в слабодиссоциирующую
уксусную кислоту
и рН почти не
изменится. Если к этой же буферной
системе прибавить основание, то в реакцию
вступает уксусная кислота СН3СООН,
т.е. избыточные гидроксид-ионы ОН
сильного основания свяжутся в слабый
электролит (воду) и рН почти не изменится

СН3СООН
+NaОН=
СН3СООNа+Н2O

Способность буферных
растворов сохранять свои буферные
свойства зависит от константы диссоциации
и концентрации буферных компонентов.
Эта зависимость выражается уравнением
Гендерсона-Гассельбаха.
Выведем уравнение
Гендерсона-Гассельбаха для кислых
буферных систем на пример ацетатного
буфера CH3COOH
и СH3COONa.
Из состава этой системы видно, что рН
ее зависит от константы диссоциации
CH3COOH
-слабого электролита СН3СООН↔СН3СОО
+ H+.
К процессу диссоциации слабой уксусной
кислоты можно применить закон действующих
масс и записать выражение для константы
диссоциации:

Kдис=[CH3COO][H+]/[CH3COOH]

Прологарифмируем обе части
этого уравнения и умножим на (-1). В
результате определим выражение
для рН уксусной кислоты
:

-IgKдис=-
Ig [H+]-Ig[CH3COO]/[CH3COOH]

pK=pH-
Ig [CH3COO]/[CH3COOH]

Отсюда получаем уравнение
Гендерсона-Гассельбаха:

pH=lg[CH3COO]/[CH3COOH]

Чтобы найти рН буферного
раствора, нужно учесть присутствие соли
ацетата натрия СН3СООNа
в этом растворе. В присутствии соли
СН3СООNа
диссоциация уксусной кислоты сильно
подавлена (из 10 000 ее молекул диссоциирует
только одна). Поэтому равновесная
концентрация кислоты практически равна
общему содержанию кислоты в растворе.
Учитывая это, запишем:

[СНзСООН]=[кислота]

[СНзСОО]=[соль]

Тогда: рН= рК+Ig[соль]/[кислота]

Из уравнения видно, что рН не зависит
от концентрации соли и кислоты, а зависит
от соотношения концентраций соли и
кислоты. Это соотношение называют
буферным отношением. Буферный раствор
сохраняет постоянство рН до тех пор,
пока сохраняется постоянным буферное
отношение. Если же буферное отношение
изменить так, чтобы увеличить или
уменьшить рН на единицу, то буферный
раствор потеряет свою способность
противодействовать изменению рН. При
добавлении к буферной системе кислоты
буферное отношение уменьшится, и при
каком-то количестве кислоты станет
равным 1/10. Тогда рН уменьшится на единицу:

рН = рК+Ig
1/10 →рН=рК-1

При добавлении щелочи буферное отношение
уменьшится и как только буферное
отношение станет равным десяти. рН
увеличится на единицу, и буферный раствор
потеряет свои свойства:

рН=рК+Ig10,
Ig=10→
рН=рК+1

Интервал значений рН, в
пределах которых буферный раствор
противодействует изменению рН, т.е.
сохраняет свои свойства, называют зоной
буферного действия. Она рассчитывается
по формуле: pH
= рК±1.Т.о. зона буферного действия зависит
от константы диссоциации слабого
электролита. Для ацетатного буфера
Кд=1,75-10-5,
тогда рК=-IgКд=4,76:
зона буферного действия ацетатного
буфера рН=3,76-5,76 (за этими пределами
система, не обладает буферными свойствами).
Теоретический расчет зоны буферного
действия позволяет теоретически
подобрать буферный раствор для
исследования биологических объектов.
Чтобы изменить рН буферного раствора
на единицу, необходимо добавить к нему
определенное количество кислоты или
щелочи. Для выяснения вопроса о количестве
прибавляемой кислоты или щелочи, вводят
понятие буферной емкости (обозначается
β).

Буферная
емкость показывает
,
сколько моль эквивалентов кислоты или
щелочи нужно прибавить к 1 литру буферного
раствора, чтобы изменить рН на единицу.

Β=VC(1/ZX)/ΔpH

Где V1
-объем буферного
раствора, к которому прибавляется
кислота или щелочь (1 дм3).ΔрН=1. Подставив
эти значения, получим формулу:

Β=VC(1/ZX)

Буферная
емкость зависит

от концентраций буферных компонентов
и от природы. Наибольшей емкостью
обладают концентрированные растворы,
а с разбавлением буферная емкость
уменьшается. Буферная
емкость максимальна
,
если буферное отношение равно единице,
а рН=рК.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
Автор статьи

Ульяна Власова

Эксперт по предмету «Химия»

Задать вопрос автору статьи

Введение

Определение 1

Буферные растворы — это растворы с определенным значением рН, который остается постоянным при разбавлении или при добавлении небольших количеств кислоты или основания.

Другими словами, буферные растворы позволяют сохранить стабильный уровень рН другого раствора, который смешан с буферным. Данная способность основана на том, что отдельные компоненты буферного раствора связывают ионы $mathrm{H^+}$ кислот или ионы $mathrm{OH^-}$ оснований, вводимых в раствор. Данная способность определяется буферной емкостью.

Замечание 1

Буферная емкость измеряется абсолютным количеством вещества (моль) кислоты или основания, которое необходимо добавить к 1 л буферного раствора, чтобы рН изменился на единицу.

Виды буферных растворов

Основные виды буферных растворов:

  1. Кислотная смесь (смесь слабой кислоты и ее соли). $mathrm{pH=pK_кисл — lg{C_M(кисл)over{C_M(соли)}}}$
  2. Основная смесь (смесь слабого основания и его соли). $mathrm{pH=14-pK_осн — lg{C_M(осн)over{C_M(соли)}}}$
  3. Растворы кислых солей слабых кислот. $mathrm{pH={(pK_1 + pK_2)over{2}}}$
  4. Смеси кислых солей.
  5. Растворы сильных кислот и щелочей.

Применение буферных растворов

Буферные растворы применяются в химическом анализе, когда по условиям опыта химическая реакция должна протекать при соблюдении точного значения рН, который не должен меняться при разбавлении раствора или при добавлении других реагентов.

Также они могут использоваться в технологических процессах, например, в производстве красителей, фотоматериалов или при электрохимическом нанесении защитных покрытий.

В бактериологических исследованиях буферные растворы используются для поддержания постоянства рН культурных сред.

Биологические и другие системы зависят от содержания в них буферных растворов, которые поддерживают в них постоянство рН. Рассмотрим механизм действия буферных растворов на примере бикарбонатной, гемоглобиновой и фосфатной буферных системах.

«Буферные растворы» 👇

Механизм действия бикарбонатной буферной системы

В крови увеличивается концентрация ионов водорода, при этом выделяется $mathrm{CO_2}$, который выделяется в процессе дыхания $mathrm{H^+ + HCO_3^- =H_2CO_3 = CO_2 + H_2O}$

Далее в кровь поступают основания, которые связываются с угольной кислотой, вследствие чего равновесие смещается в сторону образования $mathrm{HCO_3^-}$

$mathrm{OH^- + H_2CO_3 = HCO_3^- + H_2O}$

Нарушение равновесия компенсируется бикарбонатной буферной системой.

Механизм действия гемоглобиновой системы

В легких происходит процесс оксигенации $mathrm{H!-!Hb + O_2 = H!-!HbO_2}$

Среда должна быть более кислой, так как $mathrm{pK_{HbO_2}=6,95}$, а $mathrm{pK_{H!-!Hb}=8,2}$. Но бикарбонат-ион взаимодействует с оксигемоглоьином, что способствует восстановлению кислотности

Механизм действия фосфатной буферной системы

Данная система содержится в крови, клеточной жидкости других тканей (почек, пищеварительных желез).

При увеличении во внутриклеточной жидкости ионов водорода образуется избыточный дигидрофосфат, который выводится почками. Вследствие этого меняется рН мочи (уменьшается). Это происходит в результате переработки мясной пищи.

В результате потребления растительной пищи накапливаются основания, которые нейтрализуются ионами $mathrm{H_2PO_4^-}$. Образуется дигидрофосфат, который выводится почками и рН мочи повышается. В отличие от других систем полное восстановление постоянного значения рН происходит через 2-3 суток.

Находи статьи и создавай свой список литературы по ГОСТу

Поиск по теме

Во избежание недопонимания между читателями и автором в начале поста хотелось бы дать ряд определений, которые мы собираемся использовать в дальнейшем.

Первое — это определения кислот и оснований. Здесь стоит сделать оговорку, что существует несколько теорий кислот и оснований, охватывающих все множество кислотно-основных взаимодействий и рассматривающих кислотные и основные свойства с различных позиций для различных условий, но — для буферных систем крови мы воспользуемся протолитической теорией Бренстеда-Лоури, с разъяснения которой мы и начнем свой рассказ.

Согласно Бренстеду-Лоури, кислоты представляют собой вещества, отдающие протон (ион водорода, или H+), а основания — вещества, присоединяющие протон. Сила кислоты зависит от ее способности отдать протон, а сила основания — от способности протон связать. Например, в растворе серной кислоты происходит следующее:

H2SO4 + H2O ⇄ H3О+ + HSO4

Серная кислота (H2SO4) передает протон основанию (H2O), при этом образуется новая кислота (H3О+) и новое основание (HSO4).

Подобным же образом может происходить реакция между соляной кислотой и аммиаком:

HCl + NH3 ⇄ NH4+ + Cl

Соляная кислота (HCl) передает протон основанию (NH3), при этом образуется новая кислота (NH4+) и новое основание (Cl).

Как было сказано выше, кислоты и основания бывают сильными и слабыми. Например, H2SO4 и HCl представляют собой сильные кислоты, так как они очень легко отдают протон в раствор; таким образом, сильные кислоты диссоциируют быстро и полностью. И наоборот, HSO4 и Cl являются слабыми основаниями, так как слабо удерживают протон. В описанных выше реакциях равновесие сдвинуто в сторону образования более слабой кислоты (H3О+ и NH4+) и более слабого основания (HSO4 и Cl) соответственно. Слабые кислоты (например, H2CO3) диссоциируют не полностью, а значит, концентрация протонов в растворах этих кислот будет ниже. Сильные основания (например, OH) активно взаимодействуют с протонами в растворе, связывая их, а слабые основания (HCO3) делают это менее активно.

Второе — единица рН — логарифмическая единица, выражающая концентрацию ионов водорода в растворе в эквивалентах на литр; обратно пропорциональна количеству протонов в растворе, т. е. при высоком содержании протонов рН понижается, при низком, соответственно, повышается.

Рассмотрим пример. Пусть есть 0,1 М (читается как децимолярный) раствор соляной кислоты. Попробуем рассчитать для него значение pH. Мы знаем, что pH = –lg[H+]. Соляная кислота является сильной и в водном растворе будет диссоциировать полностью. Значит, количество моль/л, или М, [H+] будет равно [HCl], то есть 0,1 М. Дальше нам нужно просто подставить это значение в формулу:

pH = –lg[0,1] ≈ – (–1) = 1

Таким образом, раствор 0,1 М соляной кислоты имеет pH, равную 1, что соответствует очень кислой среде.

Тут же стоит вспомнить, что нейтральный раствор характеризуется следующей особенностью — значение концентрации ионов водорода [H+] равно значению концентрации гидроксильных ионов [OH–] = 10–7 моль/л, или pH = pOH = 7,0.

Третье — кислотно-основное равновесие (КОР) — последнее и самое главное. Буферные системы — это системы, состоящие из компонентов (например, слабой кислота и ее соль с сильным основанием или кислотно-основная пара), поддерживающих определенную концентрацию протонов в растворе, то есть определенный pH среды. Кислотность буферных растворов почти не меняется при их разбавлении или при добавлении к ним некоторых количеств кислот или оснований. Так, буферная система способна обратимо связывать протон (ион водорода). При связывании ионов водорода в условиях их повышенного количества в растворе получается слабая кислота и соль сильной кислоты, например:

HCl + NaHCO3 ⇄ NaCl + H2CO3

И наоборот, при защелачивании среды происходит диссоциация вещества, выделяется слабое основание и вода:

H2CO3 + NaOH ⇄ NaHCO3 + H2O

В обоих случаях буферные системы препятствуют резкому изменению pH. С помощью буферных систем и осуществляется регуляция КОР в организме. Однако, при работе буферной системы один из ее компонентов расходуется и требует восстановления.

Рисунок 1 | Общий вид буферной системы

Значения рН в жидких средах организма в норме:

  • рН артериальной крови равен 7,4 (изменения КОР, такие как ацидоз и алкалоз, рассматриваются относительно показателя рН в артериальной крови);
  • рН венозной крови и тканевой жидкости — 7,35;
  • рН внутриклеточной жидкости варьируется от 6,0 до 7,4 в зависимости от клеточного компартмента;
  • рН мочи может меняться в пределах от 4,5 до 8,0 в зависимости от КОР в жидких средах организма, т. к. почки являются мощным регулятором КОР;
  • наиболее низкий рН (0,8) в желудочном соке, который вырабатывают обкладочные клетки желудка.

Диапазон патологических значений рН, при которых человек может жить в течение нескольких часов, варьируется от 6,8 до 8,0.

Расстройства кислотно-основного равновесия (КОР) — это нарушения физико-химического гомеостаза. Кислотно-основное равновесие определяется соотношением ионов Н+ и ОН– . От их соотношения зависят активность ферментов, интенсивность метаболических процессов, функции ряда органов, чувствительность рецепторов к медиаторам, проницаемость клеточных мембран. Расстройства КОР сопровождают практически все заболевания. Поэтому так же, как и другие виды нарушений обмена веществ, расстройства КОР относятся к типовым патологическим процессам.

Выделяют 2 типа расстройств КОР: ацидозы и алкалозы.

Ацидоз

— это типовой патологический процесс, характеризующийся относительным или абсолютным понижением pH. Алкалоз — это типовой патологический процесс, характеризующийся относительным или абсолютным увеличением pH. Ацидозы и алкалозы могут быть компенсированными, субкомпенсированными и декомпенсированными.

Компенсированные формы связаны с сохранением жизнедеятельности клетки, в то время как некомпенсированные формы вызывают нарушения функции клетки. Показателем компенсации является величина рН артериальной крови. В норме, как уже было сказано выше, рН = 7,4 ± 0,05. Если величина рН снижается до 7,24 или увеличивается до 7,56 (колебания составляют ± 0,16), то можно говорить о развитии субкомпенсированных форм. В том случае, если эта величина превышает ± 0,16, можно говорить о развитии декомпенсированных форм ацидоза или алкалоза. По происхождению ацидозы и алкалозы бывают газовые (дыхательные) и негазовые (метаболические), которые в свою очередь делятся на подтипы. Наряду с газовыми и негазовыми формами ацидозов и алкалозов встречаются смешанные формы. Кроме того, ацидозы и алкалозы могут быть острыми и хроническими.

Существует три основные системы, регулирующие содержание протонов и препятствующих возникновению ацидоза и алкалоза:

1) Буферные системы организма — моментально регулируют содержание протонов в растворе путем их связывания, но они не способны вывести избыток протонов из организма. Работа буферных систем поддерживает рН крови в пределах 7,35–7,45, а сдвиг рН более чем на 0,4 в любую сторону ведет к гибели. В жидких средах организма существует несколько буферных систем:
— Бикарбонатная буферная система [H2CO3 / HCO3] является основным буфером крови (до 53 % емкости от всех буферных систем);
— Гемоглобиновый буфер [HHb / Hb] — до 35 % буферной емкости от всех буферных систем, является внутриклеточным буфером;
— Белковый буфер [HPr / Pr] — до 7 % буферной емкости от всех буферных систем;
— Фосфатный буфер [H2PO4 / HPO42–] — до 5 % буферной емкости от всех буферных систем; действует преимущественно в костной ткани, моче и внутриклеточной жидкости;
— Аммонийный буфер [NH3 / NH4+] — действует преимущественно в моче.

2) Дыхательная система — регулирует КОР путем выведения избытка СО2, а следовательно и H2CO3, из внеклеточной жидкости.

3) Выделительная система — почки устраняют изменения КОР путем выведения избытка кислот или оснований с мочой; эта система работает гораздо медленнее, чем предыдущие, однако значительно эффективнее.

В первую очередь рассмотрим наиболее мощную систему из выше перечисленных, берущую на себя основную роль в регуляции КОР — бикарбонатную.

Бикарбонатная буферная система

состоит из водного раствора, содержащего слабую угольную кислоту (H2CO3) и слабое основание — бикарбонат-ион (HCO3), который во внеклеточной жидкости чаще всего находится в виде натриевой соли (NaHCO3). Вначале стоит разобрать такое понятие, как диапазон буферного действия — диапазон pH, в котором будет эффективен данный буфер. Характеризуется величиной pK.

Для бикарбонатного буфера pK будет равно 6,1 ± 1 — это далеко от среднего значения pH в организме, поэтому мощность бикарбонатного буфера не слишком велика. Тем не менее, бикарбонатный буфер является наиболее эффективной буферной системой. Во-первых, концентрация бикарбоната во внеклеточной жидкости довольно высока, во-вторых, оба компонента буферной пары легко контролируются дыхательной (CO2) и мочевыделительной (HCO3) системами.

Тонкий баланс pH возможен в основном только благодаря способности легких и почек изменять соотношение H2CO3 / NaHCO3 (CO2 / HCO3). Бикарбонатный буфер является самым чувствительным и связывает до 40 % «лишних» ионов водорода. Он поддерживает pH=7,4. В связи с вышеперечисленными фактами бикарбонатный буфер является индикатором нарушения КОР и определение компонентов этого буфера — основа диагностики нарушения КОР.

Рисунок 2 | Схема работы бикарбонатной буферной системы

При добавлении сильной кислоты в буферный раствор протоны, образовавшиеся при ее диссоциации, нейтрализуются путем взаимодействия с ионом бикарбоната, в результате формируется угольная кислота, которая разлагается на воду и углекислый газ под воздействием фермента карбоангидразы. Избыток углекислого газа, стимулирует барорецепторы в области бифуркации аорты и каротидного синуса, усиливает вентиляцию легких и таким образом выводится из организма. В норме отношение HCO3 / H2CO3 = 20/1. При этом, как уже упоминалось, работа этой системы неразрывно связана с легкими. Рассмотрим реакцию подробней. При поступлении в кровь кислоты более сильной, чем угольная, происходит реакция обмена и образуется новая соль и угольная кислота. В результате благодаря связыванию введенной в систему кислоты концентрация ионов водорода значительно понижается. (А — анион)

NaHCO3 + НА ⇄ H2CO3 + NaА

Обратная реакция происходит при добавлении к раствору сильного основания: гидроксид-ион взаимодействует с угольной кислотой с выделением иона бикарбоната, в результате чего концентрация угольной кислоты и, как следствие, углекислого газа в растворе снижается, что тормозит дыхательный центр, снижает вентиляцию легких и задерживает углекислый газ в организме. При этом повышается количество бикарбонат-ионов в плазме крови, что впоследствии компенсируется почками путем выделения их избытка с мочой. Рассмотрим реакцию подробней. При поступлении оснований они реагируют с угольной кислотой в результате чего образуются соль угольной кислоты. (К — катион)

H2CO3 + КОН ⇄ КHCO3 + Н2О

Содержание компонентов карбонатной буферной системы точно регулируется почками, контролирующими выделение и реабсорбцию бикарбонатов, а также дыхательной системой, регулирующей выделение углекислого газа с дыханием.

Фосфатная буферная система состоит из водного раствора H2PO4 и HPO42–, преимущественно в форме натриевой соли; имеет небольшое значение для регуляции КОР во внеклеточной жидкости, однако играет основную роль в регуляции его в просветах почечных канальцев (обеспечивает выведение ионов водорода с мочой) и во внутриклеточной среде. Если добавить в этот раствор сильную кислоту, то протоны, образованные при ее диссоциации, будут связываться с HPO42–, преобразуясь в H2PO4. При добавлении сильного основания гидроксид-анион будет реагировать с H2PO4, образуя HPO42– и воду. Таким образом, изменения рН в обоих случаях будут незначительными. D В норме соотношение NaH24/Na2HPO4 = 1/4, а в моче NaH2PО4/Na2HPO4 = 25/1.

Рисунок 3 | Схема работы фосфатной буферной системы

Фосфатная буферная система играет важную роль в регуляции КОР в просвете почечных канальцев в связи с тем, что концентрация фосфатов в канальцах растет. Кроме того рН мочи ниже рН других жидкостей организма и близок к значению константы диссоциации фосфатного буфера (pH = 6,8 = pK для фосфатного буфера), что позволяет ему работать на максимальных мощностях. По тем же причинам фосфатный буфер имеет большое значение в регуляции КОР во внутриклеточной жидкости.

Рассмотрим устройство фосфатной буферной системы подробней. Емкость фосфатной системы составляет около 1–2 % от всей буферной емкости крови и до 50 % буферной емкости мочи. Она образована дигидрофосфатом (NaH2PO4) и гидрофосфатом (Na2HPO4) натрия. Первое соединение (NaH2PO4) слабо диссоциирует и ведет себя как слабая кислота, второе (Na2HPO4) обладает щелочными свойствами. В норме отношение HРO42– к H2РO4 — равно 4 : 1.

При взаимодействии кислот (ионов водорода) с двузамещенным фосфатом натрия (Na2HPO4) натрий вытесняется, образуется натриевая соль дигидрофосфата (H2PO4–). В результате благодаря связыванию введенной в систему кислоты концентрация ионов водорода значительно понижается. (А — анион)

HРO42– + НА ⇄ H2PO4+ А

При поступлении оснований избыток ОН– групп нейтрализуется имеющимися в среде Н+, а расход ионов Н+ восполняется повышением диссоциации NaH2PO4 (К — катион)

H2PO4 + КОН ⇄ К+ + HРO42– + Н2О

Основное значение фосфатный буфер имеет для регуляции pH интерстициальной жидкости и моче. Как уже было отмечено выше в моче его роль состоит в сбережении бикарбоната натрия за счет дополнительного иона водорода (по сравнению с NaHCO3) в составе выводимого NaH2PO4.

Na2HPO4 + H2CO3 ⇄ NaH2PO4 + NaHCO3

Кислотно-основная реакция мочи зависит только от содержания дигидрофосфата, т. к. бикарбонат натрия в почечных канальцах реабсорбируется.

Белковая буферная система

играет основную роль в регуляции КОР внутри клетки в связи с их богатым содержанием во внутриклеточной жидкости.

Несмотря на разницу между значениями рН внутри клетки и вне ее, колебания внутриклеточного КОР находится в зависимости от внеклеточного. Компоненты бикарбонатной буферной системы медленно диффундируют через клеточную мембрану. Соответственно работа внутриклеточных буферных систем может оказывать посильную помощь в регуляции внеклеточного КОР, однако занимает этот процесс значительно большее время. Около 60–70 % буферной емкости всего организма приходится на белковые внутриклеточные системы, однако в связи с низкой скоростью переноса компонентов буфера через мембраны, коррекция КОР за счёт них может значительно опаздывать.

Сама по себе белковая буферная система состоит как из белков внутриклеточных, так и внеклеточных. Белки и их главные структурные компоненты, аминокислоты, являются амфолитами и потому в зависимости от величины pH среды способны принимать или отдавать ион водорода. Таким образом, кислые группы (например, COOH) могут отдавать ион водорода, при повышении pH, а аминогруппы (например, NH2) могут принимать ион водорода при падении pH. Пределы действия белковых кислотно-основных буферных систем ограничиваются количеством групп, способных отдавать или связывать ионы водорода. Жидкости организма, на основе их локализации, можно разделить на внеклеточные и внутриклеточные жидкости.

Рисунок 4 | Схема работы белковой буферной системы

К внеклеточным жидкостям тканей относятся межклеточные жидкости. Разновидностью межклеточных жидкостей является плазма крови. Плазма крови содержит белки, которые могут составляют одну буферных систем крови. Межклеточная жидкость в тканях содержит волокна внеклеточного белка и растворенные аминокислоты. Все эти компоненты составляют буферную систему межклеточных жидкостей в тканях. Основным белковым буфером в случае крови является гемоглобиновый буфер.

Гемоглобиновый буфер

— мощный регулятор КОР; представлен в эритроцитах и плазме крови, с тем отличием, что проникновение компонентов бикарбонатного буфера через мембрану эритроцитов происходит значительно быстрее, чем у других клеток. Эта буферная система включает в себя восстановленный гемоглобин (HHb) и калиевую соль восстановленного гемоглобина (KHb). Так, буферные свойства данной системы обусловлены тем, что калиевая соль гемоглобина является солью слабой кислоты и может обменивать ион калия, К+ на ион водорода, H+, при этом образуется слабодиссоциирующая кислота. Вот так:

H+ + KHb ⇄ К+ + HHb

Гемоглобин осуществляет буферирование за счет имидазольных групп гистидиновых остатков и имеет pKa = 6,8. Величина pH крови остаётся постоянной благодаря тому, что гемоглобин способен связывать углекислый газ и ионы водорода, тут гемоглобин играет роль основания. В легких находится окисленная форма гемоглобина HHbO2, которая является более сильной кислотой (при этом кислотность HHbO2 в 70 раз выше, чем у HHb), чем угольная кислота (H2CO3), в результате чего подавляется диссоциация последней. HHbO2 отдает свои ионы Н+ в среду, предотвращая повышение рН. В целом если говорить о крови, то ее буферные системы более устойчивы к действию кислот, чем оснований.

Рисунок 5 | Схема работы гемоглобиновой буферной системы

Буферные системы тканей предотвращают возможные деструктивные нарушения, причиной которых может быть действие продуктов метаболизма клеток, к которым относятся органические кислоты, такие как молочная кислота и пировиноградная кислота. Поскольку между внутриклеточными и внеклеточными жидкостями осуществляется непрерывный обмен веществами, внутриклеточные буферные системы работают вместе с внеклеточным буферными системами в поддержании кислотно-основного равновесия в целом. Когда во внеклеточной жидкостях уменьшается pH, клетки перекачивают ионы водорода из внеклеточной жидкости в цитоплазму клеток. При этом внутриклеточные белковые буферные системы мгновенно компенсируют увеличение кислотности. И наоборот, когда во внеклеточной жидкости увеличивается pH, транспортные механизмы цитоплазматических мембран клеток перекачивают ионы водорода из внутриклеточных жидкостей во внеклеточную жидкость. При этом, для сохранения ионного равновесия, во внутриклеточную жидкость из внеклеточной жидкости перекачиваются ионы калия K+.

Поскольку в организме все буферные системы в том или ином соотношении представлены во всех жидкостных средах, они действуют сообща. Смысл изогидрического правила заключается в том, что изменение равновесия в одной буферной системе в растворе ведет за собой изменение и в других системах за счёт перераспределения между ними ионов водорода.

Дыхательная система — регулирует концентрацию СО2 во внеклеточной жидкости. При повышении вентиляции СО2 активно выводится из организма, что вызывает снижение концентрации углекислоты и приводит к снижению количества протонов в крови. Снижение вентиляции вызывает повышение количества СО2 в крови, и концентрация ионов водорода в крови растет.

В клинической практике удобно использовать показатель парциального давления углекислого газа — рСО2, в норме равный 40 мм рт.ст. При повышении интенсивности метаболических процессов или уменьшении вентиляции легких рСО2 растет, накапливается углекислота и соответственно ионы водорода, приводя к снижению рН — ацидозу. Замедление метаболических процессов или рост вентиляции вызывает снижение СО2 в крови, количества протонов и приводит к алкалозу, что проявляется повышением рН.

Уровень рН в жидких средах организма очень чувствителен к изменению вентиляции. Так, увеличение вентиляции в 2 раза от нормы приводит к повышению рН на 0,23 единиц, при этом снижение альвеолярной вентиляции на ¼ ниже нормы влечет за собой снижение уровня рН на 0,45 единиц. Таким образом, становится понятно значение дыхательной системы в регуляции КОР.

В свою очередь деятельность дыхательной системы зависит от концентрации протонов в крови, то есть изменение рН во внеклеточной жидкости ведёт за собой изменение вентиляции, что является ярким примером принципа отрицательной обратной связи в системе (при работе такой связи, усилия системы направлены на возвращение к исходному состоянию организма). Рост концентрации протонов и сопутствующее ему повышение рН вызывает компенсаторное увеличение вентиляции вследствие стимуляции дыхательного центра. Напротив, уменьшение количества ионов водорода и повышение рН тормозят дыхательный центр. Таким образом, довольно быстро регулируется содержание протонов в системе.

Дыхательная система как физиологический буфер действует медленнее, чем любой из химических буферов, однако ее буферная емкость в 2 раза выше всех вместе взятых буферов внеклеточной жидкости. У нее довольно низкий коэффициент эффективности обратной связи, поэтому коррекция значений рН осуществляется в очень малых пределах, тем не менее, это позволяет выиграть время для стабилизации КОР с помощью выделительной системы.

При нарушениях функций дыхательной системы также происходит изменение уровня ионов водорода и соответственно показателя рН. При нарушении процесса нормальной вентиляции легких (например, при эмфиземе легких), снижается способность выведения СО2, в результате чего развивается дыхательный ацидоз. В такой ситуации коррекция КОР полностью перекладывается на выделительную систему.

Выделительная система почек

— осуществляют регуляцию КОР путем выделения кислых и основных продуктов обмена с мочой. В целом, принцип работы системы заключается в следующем: бикарбонат-ионы попадают в просвет канальцев с первичной мочой путем фильтрации, ионы водорода секретируются эпителиоцитами в просвет канальцев, где они связываются ионами бикарбоната и реабсорбируются обратно в кровь в форме угольной кислоты. Таким образом, осуществляется восполнение компонентов бикарбонатного буфера. Если количество протонов во внутриканальцевой жидкости превышает количество бикарбонат-ионов (при ацидозе), их избыток выводится с мочой, закисляя ее, и наоборот, избыток оснований способствует их выведению (при алкалозе). Эти процессы происходят во всех отделах канальцевой системы, исключая тонкий отдел петли Генле, при этом 80–90 % реабсорбции бикарбонатов и секреции протонов приходится на проксимальный каналец. В различных сегментах эти процессы осуществляются разными механизмами. Кроме того, с мочой выводятся нелетучие кислоты (те, которые не могут выделяться через дыхательную систему), полученные в ходе метаболических процессов, что в свою очередь увеличивает количество протонов в моче. Немаловажным механизмом регуляции КОР почками является образование новых ионов бикарбоната, опять же при участии карбоангидразы.

При выделении в мочу избытка протонов лишь небольшая их часть выводится в свободном виде, остальные связываются с буферными системами в просвете канальцев, способствуя выработке недостающего количества бикарбонатов внутри клеток канальцев с последующей их реабсорбцией в кровь при ацидозе. Наибольшее значение имеют фосфатная и аммонийная системы, меньшую роль играют цитратная и уратная.

Аммонийная буферная система

состоит из аммиака (NH3) и иона аммония (NH4+). При увеличении количества ионов водорода во внеклеточной жидкости, стимулируется дезаминирование глутамина в почке под действием глутаминазы с образованием 2 молекул NH3 секретируемых в просвет канальца. Глутамин поступает с током крови из печени в эпителиоциты проксимальных канальцев, толстого восходящего отдела петли Генле и дистальных канальцев. В собирательных трубочках выделение иона аммония происходит с помощью другого механизма, при этом вновь синтезируется и реабсорбируется в кровь один бикарбонат-ион. Более подробнее ниже. Активация карбоангидразы, приводит к образованию H2CO3, который диссоциирует с образованием H+ и HCO3. Как NH3 так и HCO3 служат для связывания ионов водорода. При этом HCO3 выделяется в кровь, где связывается с ионом водорода, а ион водорода образовавшийся в клетке почечных канальцев при диссоциации H2CO3 секретируется в просвет почечного канальца, где связывается NH3 с образованием NH4+. При уменьшении количества ионов водорода во внеклеточной жидкости наблюдается противоположный ответ почек. Во время хронического ацидоза аммонийная система берёт на себя основную роль в выведении кислых продуктов с мочой.

Рисунок 6 | Схема работы аммонийной буферной системы

В заключение, приведенная в данной статье информация далеко не полная и не включает в себя многие нюансы, однако, прочитав данную информацию, можно получить общее представление о регуляции кислотно-основного равновесия в организме.

  1. Гайтон А. К., Холл Д. Э. Медицинская физиология. – 2008.
  2. Нельсон Д. Л., Кокс М. М., Ленинджер А. Основы биохимии Ленинджера. – 2011.
  3. Моррисон Р., Бойд Р. Органическая химия. – Мир, 1974. – С. 301-322.
  4. Покровский В. М. и др. Физиология человека. – Открытое акционерное общество Издательство Медицина, 2007.
  5. Миллера М. Р. А. Р. СПб //Человек. – 2015.
  6. Костюченко С. С. Кислотно-щелочной баланс в интенсивной терапии //Минск: ОИТАР МОКБ, ГрГМУ. – 2009.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.

Буферные системы

Буферные системы – это соединения, противодействующие резким изменениям концентрации ионов Н+. Любая буферная система — это кислотно-основная пара: слабое основание (анион, А) и слабая кислота (Н-Анион, H-А). Они минимизируют сдвиги количества ионов Н+ в растворе за счет их связывания с анионом и включения в плохо диссоциирующее соединение – в слабую кислоту. Поэтому общее количество ионов Н+ изменяется не так заметно, как это могло бы быть.

Существует три буферные системы жидкостей организма – бикарбонатная, фосфатная, белковая (включая гемоглобиновую).Они вступают в действие моментально и через несколько минут их эффект достигает максимума возможного.

Фосфатная буферная система

Фосфатная буферная система составляет около 2% от всей буферной емкости крови и до 50% буферной емкости мочи. Она образована гидрофосфатом (HPO42–) и дигидрофосфатом (H2PO4). Дигидрофосфат слабо диссоциирует и ведет себя как слабая кислота, гидрофосфат обладает щелочными свойствами. В норме отношение HРO42– к H2РO4 равно 4 : 1.

При взаимодействии кислот (ионов Н+) с двузамещенным фосфатом (HPO42‑) образуется дигидрофосфат (H2PO4):

Удаление водорода фоcфатным буфером

Удаление ионов H+ фосфатным буфером

В результате концентрация ионов Н+ понижается.

При поступлении в кровь оснований (избыток ОН‑групп) они нейтрализуются поступающими в плазму от H2PO4–  ионами Н+:

Удаление щелочей фосфатным буфером

Удаление щелочных эквивалентов фосфатным буфером

Роль фосфатного буфера особенно высока во внутриклеточном пространстве и в просвете почечных канальцев. Кислотно-основная реакция мочи зависит только от содержания дигидрофосфата (H2PO4), т.к. бикарбонат натрия в почечных канальцах реабсорбируется.

Бикарбонатная буферная система

Эта система самая мощная, на ее долю приходится 65% всей буферной мощности крови. Она состоит из бикарбонат-иона (НСО3) и угольной кислоты (Н2СО3). В норме отношение HCO3 к H2CO3 равно 20 : 1.

При поступлении в кровь ионов H+ (т.е. кислоты) ионы бикарбоната натрия взаимодействуют с ней и образуется угольная кислота:

Удаление водорода карбонатным буфером

При работе бикарбонатной системы концентрация водородных ионов понижается, т.к. угольная кислота является очень слабой кислотой и плохо диссоциирует. При этом в крови не происходит параллельного значимого увеличения концентрации НСО3.

Если в кровь поступают вещества с щелочными свойствами, то они реагируют с угольной кислотой и образуют ионы бикарбоната:

Удаление щелочей карбонатным буфером

Работа бикарбонатного буфера неразрывно связана с дыхательной системой (с вентиляцией легких). В легочных артериолах при снижении плазменной концентрации СО2  и благодаря присутствию в эритроцитах фермента карбоангидразы угольная кислота быстро расщепляется с образованием CO2, удаляемого с выдыхаемым воздухом:

Н2СО3 Н2О + СО2

Кроме эритроцитов, значительная активность карбоангидразы отмечена в эпителии почечных канальцев, клетках слизистой оболочки желудка, коре надпочечников и клетках печени, в незначительных количествах – в центральной нервной системе, поджелудочной железе и других органах.

Белковая буферная система

Белки плазмы, в первую очередь альбумин, играют роль буфера благодаря своим амфотерным свойствам. Их вклад в буферизацию плазмы крови около 5%.

В кислой среде подавляется диссоциация СООН‑групп аминокислотных радикалов (в аспарагиновой и глутаминовой кислотах), а группы NH2 (в аргинине и лизине) связывают избыток Н+. При этом белок заряжается положительно.

В щелочной среде усиливается диссоциация COOH‑групп, поступающие в плазму ионы Н+ связывают избыток ОН‑ионов и pH сохраняется. Белки в данном случае выступают как кислоты и заряжаются отрицательно.

Удаление водорода белковым буфером

Изменение заряда буферных групп белка при различных рН

Гемоглобиновая буферная система

Высокой мощностью в крови обладает гемоглобиновый буфер, на него приходится до 28% всей буферной емкости крови. В качестве кислой части буфера выступает оксигенированный гемоглобин H‑HbO2. Он имеет выраженные кислотные свойства и в 80 раз легче отдает ионы водорода, чем восстановленный Н‑Нb, выступающий как основание. Гемоглобиновый буфер можно рассматривать как часть белкового, но его особенностью является работа в теснейшем контакте с бикарбонатной системой.

Изменение кислотности гемоглобина происходит в тканях и в легких, и вызывается связыванием соответственно H+ или О2. Непосредственный механизм действия буфера заключается в присоединении или отдаче иона H+  остатком гистидина в глобиновой части молекулы (эффект Бора).

В тканях более кислый pH в норме является результатом накопления минеральных (угольной, серной, соляной) и органических кислот (молочной). При компенсации pH данным буфером ионы H+ присоединяются к пришедшему оксигемоглобину (HbО2) и превращают его в H‑HbО2. Это моментально вызывает отдачу оксигемоглобином кислорода (эффект Бора) и он превращается в восстановленный H‑Hb.

НbO2+ Н+ → [H-HbO2] → Н-Hb + O2

В результате снижается количество кислот, в первую очередь Н2СО3, продуцируются ионы НСО3 и тканевое пространство подщелачивается.

В легких после удаления СО2 (угольной кислоты) происходит защелачивание крови. При этом присоединение О2 к дезоксигемоглобину H-Hb образует кислоту более сильную, чем угольная. Она отдает свои ионы Н+ в среду, предотвращая повышение рН:

Н-Hb + O2 → [H-HbO2] → НbO2 + Н+

Работу гемоглобинового буфера рассматривают неотрывно от бикарбонатного буфера:

Удаление водорода гемоглобиновым буфером

Эффективность гемоглобинового буфера напрямую зависит от активности дыхательной системы (Газообмен в легких и тканях). 

Понравилась статья? Поделить с друзьями:
  • Как составить характеристику родителей детей
  • Как найти тарифы в сбербанке
  • Как найти периметр многоугольника с разными сторонами
  • Как найти высоту равнобедренного треугольника через угол
  • Как составить чайный сбор правильно