Буферные системы

БУФЕРНЫЕ РАСТВОРЫ
Организм человека располагает тонкими механизмами координации происходящих в нём 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 рН жидких сред организма имеет очень важное значение для жизнедеятельности человеческого организма, т.к.
ионы Н+ катализируют многие биохимические превращения( расщепление белков в жкт),
кроме того, многие ферменты и гормоны проявляют свою биологическую активность только в строго определённом интервале рН и
даже незначительные сдвиги рН могут оказать существенное влияние на величину осмотического давления биологических жидкостей.

БУФЕРНЫЕ РАСТВОРЫ
Поддержанию 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, либо
смесь слабого основания и соли с общим катионом.

КЛАССИФИКАЦИЯ БУФЕРНЫХ РАСТВОРОВ
1 тип буферных растворов:
Ацетатный - СН3СООН и СН3СООNa
Фосфатный - NaH2PO4 и Na2HPO4
Бикарбонатный - Н2СО3 и NaHCO3
Белковый – РtCOOH и PtCOONa
Гемоглобиновый – HHb и KHb
Оксигемоглобиновый -HHbO2 и KHbO2.

КЛАССИФИКАЦИЯ БУФЕРНЫХ РАСТВОРОВ
2 тип буферных растворов:
Аммиачный – NH4OH и NH4Cl.
По более современной классификации БР делят на следующие группы :
1. БР, состоящие из слабой кислоты и её аниона - НА/A- (CH3COOH / CH3COO-)
2. БР, состоящие из слабого основания и его катиона – В/BH+( NH4OH / NH4+)

КЛАССИФИКАЦИЯ БУФЕРНЫХ РАСТВОРОВ
3. БР, состоящие из аниона кислой и средней соли, или из анионов двух кислых солей, например, фосфатная буферная система – Н2РО4-/HPO42-
4. БР, состоящие из ионов и молекул амфолитов. К ним относятся белковые БС, гемоглобиновая и оксигемоглобиновая БС.

РН БУФЕРНЫХ РАСТВОРОВ
Так как любой БР содержит слабый электролит, к процессу его диссоциации можно применить закон действующих масс, например, для ацетатного БР:
СН3СООН = СН3СОО- + Н+
СН3СООNa = СН3СОО- + Na +
СН3СОО- Н+
К(СН3СООН) = СН3СООН
К СН3СООН
Н+ = СН3СОО-

РН БУФЕРНЫХ РАСТВОРОВ
Так как концентрация ионов СН3СОО- велика из-за диссоциации соли, процесс диссоциации СН3СООН по принципу Ле -Шателье сдвинут влево, поэтому концентрация недиссоциированных молекул СН3СООН практически равна общей концентрации кислоты в БР,
а концентрация ионов СН3СОО- равна концентрации соли в БР, поэтому:

К Кислота
Н+ = соль
После логарифмирования:
cоль
рН = рК + lg кислота
( Для буферных систем 1 типа)
Для буферных систем 2 типа:
соль
рН = 14 - рК – lg основание
Данные уравнения называются уравнениями Гендерсона - Гассельбаха

МЕХАНИЗМ БУФЕРНОГО ДЕЙСТВИЯ
Если к буферному раствору добавить сильную кислоту, то ионы водорода будут соединяться с анионами с образованием слабого электролита и реакция среды при этом не меняется:
СН3СООNa + HCl = CH3COOH + NaCl
СН3СОО- + H+ = CH3COOH

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:

МЕХАНИЗМ БУФЕРНОГО ДЕЙСТВИЯ
СН3СООН + NaOH = СН3СООNa + H2O
СН3СООН + OH- = СН3СОО- + H2O
Уравнение Гендерсона- Гассельбаха показывает, что рН буферного раствора данного состава определяется соотношением кислоты и соли и не зависит от разбавления, т.к. при изменении объёма раствора концентрация каждого компонента изменяется в одинаковое число раз, а их соотношение остаётся постоянным.

БУФЕРНАЯ ЁМКОСТЬ
Способность буферного раствора сохранять рН при добавлении сильных кислот или щелочей не беспредельна и ограничена величиной, называемой буферной ёмкостью.
За единицу буферной ёмкости принята ёмкость такого БР, для изменения рН которого на единицу требуется введение сильной кислоты или щёлочи в количестве 1 моль эквивалента на 1 литр буферного раствора.

БУФЕРНАЯ ЁМКОСТЬ
Буферная ёмкость рассчитывается по кислоте и щёлочи ( моль/л):
n(к.)
В(к.) = ( рН0 –рН1) V(б.р.)
n(щ)
В(щ.) = (рН1 –рН0) V(б.р.)
n (к) = C (k) V (k)

БУФЕРНАЯ ЁМКОСТЬ
Буферная ёмкость зависит 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 ёмкость.

БУФЕРНЫЕ СИСТЕМЫ КРОВИ
Для каждой биологической жидкости характерно определённое значение рН и сохранение этого значения имеет очень важную роль для нормальной жизнедеятельности организма.
Значение рН крови в норме 7,36, которое поддерживается за счёт буферных систем, содержащихся в крови.

БУФЕРНЫЕ СИСТЕМЫ ПЛАЗМЫ КРОВИ
Водородкарбонатная (гидрокарбонатная)- состоит из слабой Н2СО3 и сопряжённого основания НСО3-.
Углекислота образуется при взаимодействии растворённого в плазме СО2 с водой:
СО2 + Н2О = Н2СО3

БУФЕРНЫЕ СИСТЕМЫ ПЛАЗМЫ КРОВИ
Величина рН крови зависит от концентрации свободной растворённой в крови Н2СО3 и кислоты, связанной в ион НСО3- :
NaHCO3
рН = рК + lg H2CO3
При нормальном значении рН крови=7,36, соотношение
НСО3- / Н2СО3 = 20 : 1

БУФЕРНЫЕ СИСТЕМЫ ПЛАЗМЫ КРОВИ
При поступлении в кровь кислот( например, молочной кислоты) гидрокарбонат их нейтрализует, а избыток СО2 выводится через лёгкие, вызывая увеличение лёгочной вентиляции.
Таким образом, соотношение
НСО3-/Н2СО3, а следовательно, и рН крови не меняется.

БУФЕРНЫЕ СИСТЕМЫ ПЛАЗМЫ КРОВИ
Происходящие при этом процессы можно выразить следующей схемой:
Атмосфера СО2(г) СО2(р)
Н2СО3 Н+ + НСО3-
Вследствие того, что концентрация НСО3- в крови значительно превышает концентрацию углекислоты, буферная ёмкость этой системы выше по кислоте и составляет соответственно 40ммоль/л и 1-2ммоль/л.

БУФЕРНЫЕ СИСТЕМЫ ПЛАЗМЫ КРОВИ
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 её параметров может достаточно точно характеризовать состояние дыхательных или метаболических нарушений, т.е. кислотно-основного состояния.

БУФЕРНЫЕ СИСТЕМЫ ПЛАЗМЫ КРОВИ
Фосфатная буферная система состоит из слабой кислоты Н2РО4- и сопряжённого основания НРО42-. В основе её 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 ёмкости крови.

БУФЕРНЫЕ СИСТЕМЫ ПЛАЗМЫ КРОВИ
Отношение НРО42- / Н2РО4- в плазме крови равно 4:1, поэтому данная буферная система имеет более высокую ёмкость по кислоте, чем по щёлочи ( Вк = 1-2ммоль/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 желёз.

БУФЕРНЫЕ СИСТЕМЫ ПЛАЗМЫ КРОВИ
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.

БУФЕРНЫЕ СИСТЕМЫ ПЛАЗМЫ КРОВИ
Белковая и гидрокарбонатная буферные системы работают совместно:
СО2 + Н2О = Н2СО3 = НСО3- + Н+ (1)
РtСООН = РtСОО- + Н+ (2)
Равновесия 1 и 2 тесно связаны между собой: при увеличении концентрации СО2 происходит смещение равновесия 1 вправо, а реакции 2 - влево, а это значит, что при увеличении концентрации НСО3- происходит уменьшение концентрации РtСОО- .
Сумма их концентраций остаётся неизменной.

БУФЕРНЫЕ СИСТЕМЫ ПЛАЗМЫ КРОВИ
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 РtСООН и СО2, избыток которого выводится через лёгкие.

Буферная ёмкость, 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, её буферная ёмкость значительно выше по кислоте и составляет для альбуминов 10 ммоль/л, а для глобулинов 3ммоль/л

БУФЕРНЫЕ СИСТЕМЫ ЭРИТРОЦИТОВ
Гемоглобиновая/оксигемоглобиновая БС, на долю которой приходится 75% буферной ёмкости 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:
НHb + O2 = HHbO2

НHb является более слабой кислотой, чем HHbO2 :
К(ннb) = 6,3 10-9, K(ннbо2) = 1,12 10-7),
поэтому ион Нb- 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 отдаёт О2 тканям:
ННbО2 = ННb + О2
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.

СОВМЕСТНОЕ ДЕЙСТВИЕ ГЕМОГЛОБИНОВОЙ И ГИДРОКАРБОНАТНОЙ БС.
Под действием угольной ангидразы СО2 превращается в Н2СО3, при этом происходит одновременный процесс её диссоциации:
Н2СО3 Н+ + НСО3-
Образующиеся в ходе этой реакции ионы Н+ связываются в эритроцитах с восстановленным гемоглобином, который освобождает часть связанных ионов К+ :
КНb + H+ = HHb + K+

СОВМЕСТНОЕ ДЕЙСТВИЕ ГЕМОГЛОБИНОВОЙ И ГИДРОКАРБОНАТНОЙ БС
Часть ионов НСО3- образуют с ионами К+ соединение КНСО3, другая часть ионов НСО3- переходит в плазму, где образуется NаНСО3.
Из плазмы в обмен на ионы НСО3- в эритроциты переходят ионы Сl-, которые с ионами К+ образуют КСl.

СОВМЕСТНОЕ ДЕЙСТВИЕ ГЕМОГЛОБИНОВОЙ И ГИДРОКАРБОНАТНОЙ БС
В капиллярах большого круга кровообращения: ткань ткань
CO2 Na+ + HCO3- = NaHCO3
Cl-
HHbO2 = HHb + O2
ННb = H+ + Hb-
СО2 + Н2О = Н2СО3
Н2СО3 Н+ + НСО3-
Н+ + КНb = ННb + K+
K+ + Cl- = KCl
K++ HCO3- = KHCO3

СОВМЕСТНОЕ ДЕЙСТВИЕ ГЕМОГЛОБИНОВОЙ И ГИДРОКАРБОНАТНОЙ БС
В лёгочных капиллярах
через тончайшую лёгочную 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 лёгкие и удаляется с выдыхаемым воздухом.
Вследствие уменьшения концентрации НСО3- в плазме крови, из эритроцитов в плазму переходят ионы Сl-, где связываются с ионами Na+.
В результате этих преобразований соотношение в артериальной крови
НСО3-/ Н2СО3 остаётся оптимальным (20:1).

Все указанные процессы можно выразить схемой:
HHb + O2 = HHbO2 HHbO2 = H+ + HbO2-
Н+ + НСО3- = Н2СО3
Н2СО3 = СО2 + Н2О

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 генерируются значительное количество диоксида углерода (550- 775 г/cут), при взаимодействии которого с с влагой образуется угольная кислота в количестве, эквивалентном поступлению в кровь от 25 до 35 ммоль/ сут ионов Н+.

Кислотно-основное состояние
Кислотно- основное состояние организма – неотъемлемая часть гомеостаза внутренней среды организма.
Физиологические системы регуляции кислотно- основного состояния связаны с функциональной активностью активностью лёгких и почек.
Смещение кислотно- основного равновесия крови в сторону повышения концентрации ионов Н+ (снижения рН) и уменьшения резервной щёлочности называется ацидозом,
смещение его в сторону снижения концентрации ионов водорода ( повышение рН) и увеличение резервной щёлочности- алкалозом.

Ацидоз и алкалоз
В зависимости от механизма развития расстройств кислотно-основного состояния выделяют
дыхательный и
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, питьём, медикаментами, в результате вдыхания загрязнённого воздуха и т.д.);
- неполное удаление кислот( при почечной недостаточности);
- избыточные потери НСО3- иона ( в результате поноса, колита, язвы кишечника)