Протолитические буферные системы. Буферные системы организма, их взаимодействие

Лекция № 2
Протолитические буферные системы.
Буферные системы организма, их взаимоднйствие

Содержание лекции
Буферные растворы. Определение, состав
Типы буферных систем
3. Механизм буферного действия
4. Расчет рН буферных растворов. Уравнение Гендерсона-Хассельбаха. Анализ уравнения
5. Буферная емкость. Интервал буферного действия
6. Буферные системы плазмы крови, их функционирование и взаимодействие
7. Основные параметры КОС организма

рН биологических жидкостей
Кислоты, образующиеся в организме:
угольная – до 13 моль/сут;
серная, фосфорная, молочная ~ 0.03 – 0.08 моль/сут;
ацетоуксусная и β-оксимасляная (при диабете) – до 1 моль/сут;
Основания, образующиеся в организме
(~ в 20 раз меньше):
азотистые основания и аммиак

Кислотно-основные (протолитические) буферные системы
Буферный раствор – раствор, содержащий протолитическую равновесную систему, способную поддерживать практически постоянное значение рН при добавлении небольших количеств кислоты или щелочи или при разбавлении
A– / HA
В / ВН+
H+ + B
ВН+
кислота
сопряженное
основание
сопряженная
кислота
основание
Все буферные системы помимо воды содержат как минимум два компонента: донора протона и акцептора протона, которые образуют сопряженную кислотно-основную пару
Кислотные буферные системы (ацетатная, гидрокарбонатная и др.)
Основные буферные системы (аммиачная)

Типы буферных систем
Примеры Интервал Значение
буферных систем буферного действия рKа
Слабая кислота и ее анион А– / НА
Ацетатная
СН3СОО– /СН3СОО 3.8–5.8 4.8
Гидрокарбонатная
НСО3– /H2CO3 5.4–7.4 6.4 (pKa1)
Анионы кислой и средней соли или двух кислых солей
Гидросфатная
HPO42– /H2PO4– 6.2–8.2 7.2 (pKa2)
Карбонатная
CO32– /НCO3– 9.4–11.4 10.4 (pKa2)
Слабое основание и его катион B / BН+
Аммиачная
NН3 / NН4+ 8.2–10.2 9.2

Ионы и молекулы амфолитов (аминокислот и белков)
Изоэлектрическая точка pI (ИЭТ) – значение рН, при котором амфолит находится в изоэлектрическом (электронейтральном) состоянии
Примеры Интервал Значение
буферных систем буферного действия рКа
Типы буферных систем

CH3COOH
CH3COONa
H + + CH3COO–
Na + + CH3COO–
Расчет рН в буферных растворах
СН3СООNa / СН3СООН
pKa
NH3 / NH4Cl
NH4Cl → NH4+ + Cl–
NH4+ ⇄ NH3 + H+

Уравнение Гендерсона-Хассельбаха

4. Используя уравнение Гендерсона–Хассельбаха, можно вычислить, в каком соотношении нужно взять компоненты буферного раствора, чтобы приготовить раствор с заданным значением рН.
Анализ уравнения Гендерсона-Хассельбаха
1. рН буферных растворов зависит от силовых показателей слабой кислоты или основания, образующих конкретную буферную систему.
2. рН буферных растворов зависит от отношения концентраций компонентов сопряженной кислотно-основной пары, но практически не зависит от разбавления раствора.
3. Силовые показатели кислоты рKа или основания рKb, образующих конкретную буферную систему, можно вычислить по измерению рН раствора, если известны молярные концентрации компонентов.

Схема (механизм) буферного действия системы СН3СОО– / СН3СООН
1. Добавление сильной кислоты:
CH3COO – + H +
(основание)
pH ≈ const
2. Добавление сильного основания: NaOH
CH3COO –
Механизм буферного действия
pH ≈ const
CH3COOH

Буферная емкость Вa(b) — количество кислоты или щелочи, которые нужно добавить к 1 л буферного раствора, чтобы изменить его рН на единицу
Зависит:
1) от концентрации компонентов буфера;
2) от соотношения компонентов (т.е. от рН)
Буферная емкость не постоянна в интервале буферного действия
Интервал буферного действия ВЕ – область значений рН, в пределах которого данная система проявляет буферные свойства:
При рН = pKa; Вк = Вщ
При рН < pKa; Вк < Вщ
При рН > pKa; Вк > Вщ
Буферная емкость
Вa(b) – величина, характеризующая способность буферного раствора противодействовать изменению рН среды при добавлении кислот или щелочей
т.е. ВЕ = pKa ± 1

Кривые титрования сильной кислоты (а)
и слабой кислоты (б) сильным основанием
(а)
(б)

Изменение рН при постепенном добавлении щелочи к раствору катионной формы глицина H3N+CH2COOH (pKa1=2.3, pKa2=9.6)
(кривая титрования)

Кислотно-основное состояние (КОС) организма человека
Плазма крови: рН = 7.40 ± 0.05; a(H+) = 3.7·10–8 – 4.0·10–8 моль/л
Артериальная кровь: рН = 7.38 – 7.42
Венозная кровь: рН = 7.36 – 7.40
Внутриклеточные жидкости: рН = 6.8 – 7.8
Ацидоз – нарушения КОС организма, вызванные увеличением кислотности (снижением рН) сред организма. Может быть компенсированный (рН ≈ норма) и некомпенсированный (рН ˂ норма)
Алкалоз – нарушение КОС организма, обусловленное повышением рН биологических жидкостей. Может быть компенсированный (рН ≈ норма) и некомпенсированный (рН ˃ норма)

Наиболее важные буферные системы организма человека
Относительный вклад буферных систем крови в поддержание в ней протолитического гомеостаза

В плазме: [HCO3–]/[CO2 + H2CO3] ≈ 20 : 1
Bк = 40 ммоль/л
Bщ = 1–2 ммоль/л
pH↓
pH↑
Гидрокарбонатная буферная система крови
При появлении кислых метаболитов:
При появлении щелочных веществ:
В эритроцитах: [НСО3– ] / [Н2СО3] = 7:1
Вк(эритр) < Вк(пл.кр.)
Физиологические условия:

Гидрофосфатная буферная система
(в плазме крови – Na2НРО4/NaН2РО4; в клетке – K2НРО4/KН2РО4)
В плазме крови:
Вк = 1–2 ммоль/л Вщ = 0.5 ммоль/л
Нейтрализует кислые метаболиты, избыточный Н2РО4– выводится почками – рН мочи снижается
При увеличении c(оснований) избыточный НРО42– выводится почками – рН мочи повышается
В эритроцитах:
[НРО42– ] : [Н2РО4– ] = (1.5-4) : 1
По сравнению с гидрокарбонатной гидрофосфатная система более «консервативна» – избыточные продукты нейтрализации выводятся через почки (2–3 суток).
рН мочи 4.8 – 7.5

Белковые буферные системы крови

В эритроцитах: при pH = 7.25
Система гемоглобин (Hb– /ННb) – оксигемоглобин (HbO2– /ННbО2)
O2
O2
H+ + HbO2– (pKa= 6.95)
Гемоглобиновая / оксигемоглобиновая буферная система
При добавлении кислот поглощать Н+ будет в первую очередь Hb–
Нейтрализовать ОН – активнее будет HHbO2
Гемоглобиновая буферная система играет значительную роль в процессах дыхания, транспорта кислорода, поддержании постоянства рН в эритроцитах. Она эффективно функционирует только в сочетании с другими буферными системами крови
90%
HHbO2
65%

Взаимодействие буферных систем в организме
pKa(HHbO2)= 6.95
pKa(HHb)= 8.20
рKa(H2CO3) = 6.1
HHbO2 + (Hb·CO2)– ⇄ HbO2– + HHb + CO2

В итоге, в плазму крови из тканей поступают продукты метаболизма –
Н+ и СО2, а из эритроцитов – НСО3–
Взаимодействие буферных систем в организме
H2CO3 + Hb– → (Hb– ·CO2) + H2O
HCO3– – 80%
(Hb·CO2)– – 15%
CO2 – 5%

Показатели кислотно-основного состояния (КОС) крови (кислотно-щелочного равновесия (КЩР) крови)
Показатель
КОС
Название
Значение
в норме
Изменения при патологии
рН
Водородный показатель
7.4±0.5
6.8−7.8
7.35−7.20 ацидоз
7.45−7.50 алкалоз
рСО2
Показатель СО2, или
парциальное давление
СО2 над кровью −
респираторный (дыха-
тельный) компонент КОС
40±5
мм рт. ст.
(5.3±0.7
кПа)
10−130 ±5 мм рт. ст.
> 40 мм рт. ст. (рН < 7.4)
− дыхательный ацидоз; < 40 мм рт. ст. (рН > 7.4)
− дыхательный ацидоз
[HCO3−]
Показатель концентрации
гидрокарбонат-ионов HCO3−
(щелочной резерв крови)
24−25
ммоль/л
Значение [HCO3−]
указывает на характер
нарушения КОС *.
* Дыхательный − незначительные изменения; метаболический − большие изменения

Показатели кислотно-основного состояния (КОС) крови
(продолжение)
МЕТАБОЛИЧЕСКИЕ КОМПОНЕНТЫ КОС
Показатель
КОС
Расшифровка параметра
Значение
в норме
Изменения
при патологии
BB
(Buffer
Base)
Сумма буферных оснований:
ионы HCO3− (25 ммоль) и анионы белка (Pt) (17 ммоль);
BB = [HCO3−] + [Pt] = 42 ммоль/л
42
ммоль/л
BB > 42 при метаболи-ческом алкалозе;
BB < 42 при метаболи-ческом ацидозе
BE
(Base
Excess)
Избыток оснований или свобо-
дные буферные основания:
количество кислоты или осно-
вания, нужного для доведения
рН крови до нормы при рCO2
= 40 мм рт. ст.;
BB = 42 + BE
0±3
ммоль/л
+30 ÷ −30 > ммоль/л;
BE > 0 (рН > 7.4) ─ метаболический алкалоз;
BE < 0 (рН < 7.4) ─ метаболический ацидоз

Коррекция кислотно-основного состояния организма
(кислотно-щелочного равновесия)

Примеры расчетов для буферных растворов

Примеры расчетов для буферных растворов

Примеры расчетов для буферных растворов

Примеры расчетов для буферных растворов