Введение
Буферные системы организма
Организм можно определить как физико-химическую систему, существующую в окружающей среде в стационарном состоянии. Именно эта способность живых систем сохранять стационарное состояние в условиях непрерывно меняющейся среды и обусловливает их выживание. Для обеспечения стационарного состояния у всех организмов – от морфологически самых простых до наиболее сложных – выработались разнообразные анатомические, физиологические и поведенческие приспособления, служащие одной цели – сохранению постоянства внутренней среды.
Это относительное динамическое постоянство внутренней среды (крови, лимфы, тканевой жидкости) и устойчивость основных физиологических функций (кровообращения, дыхания, терморегуляции, обмена веществ и т.д.) организма человека и животных называется гомеостазом.
Этот процесс осуществляется преимущественно деятельностью лёгких и почек за счёт дыхательной и выделительной функции. В основе гомеостаза лежит сохранение кислотно-основного баланса.
Основная функция буферных систем предотвращение значительных сдвигов рН путём взаимодействия буфера как с кислотой, так и с основанием. Действие буферных систем в организме направлено преимущественно на нейтрализацию образующихся кислот.
Н+ + буфер- <==> Н-буфер
В организме одновременно существует несколько различных буферных систем. В функциональном плане их можно разделить на бикарбонатную и небикарбонатную. Небикарбонатная буферная система включает гемоглобин, различные белки и фосфаты. Она наиболее активно действует в крови и внутри клеток.
Биологические буферные системы
Большинство биожиткостей организма способно сохранять значение pH при незначительных внешних воздействий, так как они являются буферными растворами.
Буферный раствор – это раствор, содержащий протолитическую равновесную систему, способную поддерживать практически постоянное значение pH при разбавлении или при добавлении небольших количеств кислот или щелочи.
В протолитических буферных растворах компонентами являются донор протона и акцептор протона, представляющие собой сопряженную кислотно- основную пару.
По принадлежности слабого электролита к классу кислот или оснований буферные системы делятся на кислотные и основные.
Кислотными буферными системами называются растворы, содержащие слабую кислоту ( донор протона) и соль этой кислоты ( акцептор протона). Кислотные буферные растворы могут содержать различные системы: ацетатную (Ch4COO-, Ch4COOH), гидрокарбонатную ( HCO3-, h3CO3), гидрофосфатную( HPO22-, h3PO4-).
Основными буферными системами называются растворы, содержащие слабые основания ( акцептор протона) и соль этого основания ( донор протона).
Гидрокарбонатная буферная система
Гидрокарбонатная буферная система образована оксидом углерода (IV).
СО2 + Н2О- СО2 • Н2О - Н2СО3- Н+ + НСО3-
В этой системе донором протона является угольная кислота h3CO3, а акцептором протона – гидрокарбонат-ион HCO3-.С учетом физиологии условно весь CO2в организме, как просто растворенный, так и гидратированный до угольной кислоты, принято рассматривать как угольную кислоту.
Угольная кислота при физиологическом значении pH= 7,40 находится преимущественно в виде моноаниона, а отношение концентраций компонентов в гидрокарбонатной буферной системе крови [ HCO3-]\ [CO2]=20:1. Следовательно, гидрокарбонатная система имеет буферную емкость по кислоте значительно больше буферной емкости по основанию. Это отвечает особенностям нашего организма.
Если в кровь поступает кислота и увеличивается концентрация иона водорода, то он, взаимодействует с HCO3- , смещает в сторону h3CO3и приводит к выделению газообразного углекислого газа, который выделяется из организма в процессе дыхания через легкие.
Н+ + НСО3- - Н2СО3 - СО2^ + Н2О
При поступлении в кровь оснований, они связываются угольной кислотой , и равновесие смещается в сторону HCO3-.
ОН- + Н2СО3 - НСО3- + Н2О
Главное назначение гидрокарбонатного буфера заключается в нейтрализации кислот. Он является системой быстрого и эффективного реагирования, так как продукт его взаимодействия с кислотами – углекислый газ – быстро выводится через легкие. Нарушение кислотно- основного равновесия в организме прежде всего компенсируется с помощью гидрокарбонатной буферной системы ( 10-15 мин.)
Гидрокарбонатный буфер является основной буферной системой плазмы крови, обеспечивающей около 55% от всей буферной емкости крови. Гидрокарбонатный буфер содержится также в эритроцитах, межклеточной жидкости и в почечной ткани.
Гидрофосфатная буферная система
Гидрофосфатная буферная система содержится как в крови, так и в клеточной жидкости других тканей, особенно почек. В клетках она представлена К2НРО4 и КН2РО4 , а в плазме крови и межклеточной жидкости
Nа2НРО4и NаН2РО4. Роль донора протона в этой системе играет ион Н2РО4-, а акцептора – ион НРО42-.
В норме отношение форм [НРО42-]\[ Н2РО4-] =4:1. Следовательно, и эта система имеет буферную емкость по кислоте больше, чем по основанию. При увеличении концентрации катионов водорода во внутриклеточной жидкости, например в результате переработки мясной пищи, происходит их нейтрализация ионами НРО42-.
Н+ + НРО42- - Н2РО4-
Образующийся избыточный дигидрофосфат выводится почками, что приводит к снижению величины рН мочи.
При увеличении концентраций оснований в организме, например при употреблении растительной пищи, они нейтрализуются ионами Н2РО4-
ОН- + Н2РО4- - НРО42-+ Н2О
Образующийся избыточный гидрофосфат выводится почками, при этом рН мочи повышается.
В отличии от гидрокарбонатной , фосфатная система более « консервативная», так как избыточные продукты нейтрализации выводятся через почки и полное восстановление отношений [НРО42-]\[ Н2РО4-] происходит только через 2-3 сут. Длительности легочной и почечной компенсации нарушений отношения компонентов в буферных системах необходимо учитывать при терапевтической коррекции нарушений кислотно- основного равновесия организма.
Гемоглобиновая буферная система
гемоглобиновая буферная система является сложной буферной системой эритроцитов, которая включает в качестве донора протона две слабые кислоты: гемоглобин ННb и оксигемоглобин ННbО2. роль акцептора протона играет сопряженные этим кислотам основания, т.е. их анионы Нb- и НbО2-.
Н+ + Нb—ННb Н+ + НbО2- - ННb + О2
При добавлении кислот поглощать ионы Н+ в первую очередь будут анионы гемоглобина, которые имеют большое сродство к протону. При действии основания оксигемоглобин будет проявлять большую активность, чем гемоглобин.
ОН- + ННbО2 - НbО2- + Н2О ОН- + ННb- Нb- + Н2О
Таким образом, гемоглобиновая система крови играет значительную роль сразу в нескольких важнейших физиологических процессах организма: дыхании, транспорте кислорода в ткани и поддержании постоянства рН внутри эритроцитах, а конечном итоге - в крови. Эта система эффективно функционирует только в сочетании с другими буферными системами организма.
Белковые ( протеиновые) буферные системы
Белковые буферные системы в зависимости от кислотно-основных свойств белка, характеризующиеся его изоэлектрической точкой, бывают анионного и катионного типа.
Анионный белковый буфер работает при рН>рIбелка и состоит из донора протонов – молекулы белка НРrot, имеющей биполярно- ионное строение , и акцептора протонов – анион Рrot-.
Н3N+ – Рrot – СООН - Н+ + Н3N – Рrot – СОО-
кратко Н2Рrot - Н+ + ( НРrot)-
При добавлении кислоты это равновесие смещается в сторону образование молекулы белка, а при добавлении основания в системе увеличивается содержание аниона белка.
Катионная белковая буферная система работает при рН<рIбелка и состоит из донора протона – катиона белка Н2Рrot и акцептора протона - молекулы белка НРrot.
Н3N+ – Рrot – СООН- Н+ + Н3N – Рrot – СОО-
кратко (Н2Рrot)+ + НРrot
Катионная буферная система НРrot, (Н2Рrot)+ обычно поддерживает величину рН в физиологических средах с рН < 6, а анионная белковая буферная система (Рrot)- , НРrot – в средах с рН >6. В крови работает анионный белковый буфер.
Ацидоз
Ацидоз (от лат. acidus — кислый) — cмещение кислотно-щелочного баланса организма в сторону увеличения кислотности (уменьшению рН).
Причины ацидоза
Обычно продукты окисления органических кислот быстро удаляются из организма. При лихорадочных заболеваниях, кишечных расстройствах, беременности, голодании и др. они задерживаются в организме, что проявляется в лёгких случаях появлением в моче ацетоуксусной кислоты и ацетона (т. н. ацетонурия), а в тяжёлых (например, при сахарном диабете) может привести к коме.
характеризуется абсолютным или относительным избытком кислот, т.е. веществ, отдающих ионы водорода (протоны), по отношению к основаниям, присоединяющим их.
Ацидоз может быть компенсированным и некомпенсированным в зависимости от значения рН — водородного показателя биологической среды (обычно крови), выражающего концентрацию водородных ионов. При компенсированном ацидозе рН крови смещается к нижней границе физиологической нормы (7,35). При более выраженном сдвиге в кислую сторону (рН менее 7,35) ацидоз считается некомпенсированным. Такой сдвиг обусловлен значительным избытком кислот и недостаточностью физико-химических и физиологических механизмов регуляции кислотно-щелочного равновесия. (Кислотно-щелочное равновесие)
По происхождению А. может быть газовым, негазовым и смешанным. Газовый А. возникает вследствие альвеолярной гиповентиляции (недостаточного выведения СО2 из организма) либо в результате вдыхания воздуха или газовых смесей, содержащих повышенные концентрации углекислоты. При этом парциальное давление углекислого газа (рСО2) в артериальной крови превышает максимальные значения нормы (45 мм рт. ст.), т.е. имеет место гиперкапния.
Негазовый А. характеризуется избытком нелетучих кислот, первичным снижением содержания бикарбоната в крови и отсутствием гиперкапнии. Основными его формами являются метаболический, выделительный и экзогенный ацидоз.
Метаболический А. возникает вследствие накопления избытка кислых продуктов в тканях, недостаточного их связывания или разрушения; при увеличении продукции кетоновых тел (кетоацидоз), молочной кислоты (лактат-ацидоз) и других органических кислот. Кетоацидоз развивается чаще всего при сахарном диабете, а также при голодании (особенно углеводном), высокой лихорадке, тяжелой инсулиновой гипогликемии, при некоторых видах наркоза, алкогольной интоксикации, гипоксии, обширных воспалительных процессах, травмах, ожогах и др. Лактат-ацидоз встречается наиболее часто. Кратковременный лактат-ацидоз возникает при усиленной мышечной работе, особенно у нетренированных людей, когда увеличивается продукция молочной кислоты и происходит недостаточное ее окисление вследствие относительного дефицита кислорода. Длительный лактат-ацидоз отмечается при тяжелых поражениях печени (цирроз, токсическая дистрофия), декомпенсации сердечной деятельности, а также при уменьшении поступления кислорода в организм вследствие недостаточности внешнего дыхания и при других формах кислородного голодания. В большинстве случаев метаболический А. развивается в результате избытка в организме нескольких кислых продуктов.
Выделительный А. в результате уменьшения выведения из организма нелетучих кислот отмечается при заболеваниях почек (например, при хроническом диффузном гломерулонефрите), приводящих к затруднению удаления кислых фосфатов, органических кислот. Усиленное выведение с мочой ионов натрия, обусловливающее развитие почечного А., наблюдается в условиях торможения процессов ацидо- и аммониогенеза, например при длительном применении сульфаниламидных препаратов, некоторых мочегонных средств. Выделительный А. (гастроэнтеральная форма) может развиться при увеличенной потере оснований через желудочно-кишечный тракт, например при поносах, упорной рвоте забрасываемым в желудок щелочным кишечным соком, а также при длительно усиленном слюноотделении. Экзогенный А. наступает при введении в организм большого количества кислых соединений, в т.ч. некоторых лекарственных препаратов.
Развитие смешанных форм А. (сочетание газового и различных видов негазового А.) обусловлено, в частности, тем обстоятельством, что СО2 диффундирует через альвеолокапиллярные мембраны примерно в 25 раз легче, чем О2. Поэтому затруднение выделения СО2 из организма вследствие недостаточного газообмена в легких сопровождается снижением оксигенации крови и, следовательно, развитием кислородного голодания с последующим накоплением недоокисленных продуктов межуточного обмена (главным образом молочной кислоты). Такие формы А. наблюдаются при патологии сердечно-сосудистой или дыхательной систем.
Умеренный компенсированный А. протекает практически бессимптомно и распознается путем исследования буферных систем крови, а также состава мочи. При углублении А. одним из первых клинических симптомов является усиленное дыхание, которое затем переходит в резкую одышку, патологические формы дыхания. Некомпенсированный А. характеризуется значительными расстройствами функций ц.н.с., сердечно-сосудистой системы, желудочно-кишечного тракта и др. А. приводит к повышению содержания катехоламинов в крови, поэтому при его появлении сначала отмечается усиление сердечной деятельности, учащение пульса, повышение минутного объема крови, подъем АД. По мере углубления А. снижается реактивность адренорецепторов, и несмотря на повышенное содержание катехоламинов в крови, сердечная деятельность угнетается, АД падает. При этом нередко возникают различные виды сердечных аритмий, вплоть до фибрилляции желудочков. Кроме того, А. приводит к резкому усилению вагусных эффектов, вызывая бронхоспазм, увеличение секреции бронхиальных и пищеварительных желез; нередко возникают рвота, понос. При всех формах А. кривая диссоциации оксигемоглобина смещается вправо, т.е. сродство гемоглобина к кислороду и его оксигенация в легких уменьшаются.
В условиях А. изменяется проницаемость биологических мембран, часть ионов водорода перемещается внутрь клеток в обмен на ионы калия, которые отщепляются от белков в кислой среде. Развитие гиперкалиемии в сочетании с низким содержанием калия в миокарде приводит к изменению его чувствительности к катехоламинам, лекарственным препаратам и другим воздействиям. При некомпенсированном А. наблюдаются резкие расстройства функции ц.н.с. — головокружение, сонливость, потеря сознания и выраженные расстройства вегетативных функций.
Алкалоз
Алкало́з (позднелат. alcali щелочь, от арабск. al-quali) — нарушение кислотно-щелочного равновесия организма, характеризующееся абсолютным или относительным избытком оснований.
Классификация
Алкалоз может быть компенсированным и некомпенсированным.
Компенсированный алкалоз — нарушение кислотно-щелочного равновесия, при котором рН крови удерживается в пределах нормальных величин (7,35—7,45) и отмечаются лишь сдвиги в буферных системах и физиологических регуляторных механизмах.
При некомпенсированном алкалозе рН превышает 7,45, что обычно связано со значительным избытком оснований и недостаточностью физико-химических и физиологических механизмов регуляции кислотно-щелочного равновесия.
Этиология
По происхождению алкалоза выделяют следующие группы.
Газовый (респирато́рный) алкалоз
Возникает вследствие гипервентиляции лёгких, приводящей к избыточному выведению СО2 из организма и падению парциального напряжения двуокиси углерода в артериальной крови ниже 35 мм рт. ст., то есть к гипокапнии. Гипервентиляция лёгких может наблюдаться при органических поражениях головного мозга (энцефалиты, опухоли и др.), действии на дыхательный центр различных токсических и фармакологических агентов (например, некоторых микробных токсинов, кофеина, коразола), при повышенной температуре тела, острой кровопотере и др.
Негазовый алкалоз
Основными формами негазового алкалоз являются: выделительный, экзогенный и метаболический. Выделительный алкалоз может возникнуть, например, вследствие больших потерь кислого желудочного сока при желудочных свищах, неукротимой рвоте и др. Выделительный алкалоз может развиться при длительном приёме диуретиков, некоторых заболеваниях почек, а также при эндокринных расстройствах, приводящих к избыточной задержке натрия в организме. В некоторых случаях выделительный алкалоз связан с усиленным потоотделением.
Экзогенный алкалоз наиболее часто наблюдается при избыточном введении бикарбоната натрия с целью коррекции метаболического ацидоза или нейтрализации повышенной кислотности желудочного сока. Умеренный компенсированный алкалоз может быть обусловлен длительным употреблением пищи, содержащей много оснований.
Метаболический алкалоз встречается при некоторых патологических состояниях, сопровождающихся нарушениями обмена электролитов. Так, он отмечается при гемолизе, в послеоперационном периоде после некоторых обширных оперативных вмешательств, у детей, страдающих рахитом, наследственными нарушениями регуляции электролитного обмена.
Смешанный алкалоз
Смешанный алкалоз (сочетание газового и негазового алкалоза) может наблюдаться, например, при травмах головного мозга, сопровождающихся одышкой, гипокапнией и рвотой кислым желудочным соком.
Патогенез
При алкалозе (особенно связанном с гипокапнией) происходят общие и регионарные нарушения гемодинамики: уменьшается мозговой и коронарный кровоток, снижаются АД и минутный объем крови. Возрастает нервно-мышечная возбудимость, возникает мышечный гипертонус вплоть до развития судорог и тетании. Нередко наблюдается угнетение моторики кишечника и развитие запоров; снижается активность дыхательного центра. Для газового алкалоза характерно снижение умственной работоспособности, головокружение, могут возникать обморочные состояния.
Лечение
Терапия газового алкалоза заключается в устранении причины, вызвавшей гипервентиляцию, а также в непосредственной нормализации газового состава крови путем вдыхания смесей, содержащих углекислый газ (например — карбогена). Терапия негазового алкалоза проводится в зависимости от его вида. Применяют растворы хлоридов аммония, калия, кальция, инсулин, средства, угнетающие карбоангидразу и способствующие выделению почками ионов натрия и гидрокарбоната
Заключение
В заключение следует отметить ,что в организме человека вследствие процессов дыхания и пищеварения происходит постоянное образование двух противоположностей :кислот и оснований, причем преимущественно слабых, что обеспечивает равновесный характер протолитическим процессам ,протекающим в организме. В то же время из организма постоянно выводятся кислотно-основные продукты, в основном через легкие и почки. За счет сбалансированности процессов поступления и выведения кислот и оснований ,а также за счет равновесного характера протолитических процессов ,определяющих взаимодействие этих двух противоположностей , в организме поддерживается состояние протолитического (кислотно-основного) гомеостаза.
Список используемой литературы:
Книги:
В.И.Слесарев «Химия: Основы химии живого: Учебник для вузов»-СПб: Химиздат,2000.
В.А.Попков, С.А. Пузаков «Общая химия:учебник»-М.:ГЭОТАР-Медиа,2009.
Ю.А.Ершов,В.А.Попков,А.С.Берлянд и др.; Под ред. Ю.А.Ершова «Общая химия. Биофизическая химия. Химия биогенных элементов»-М.: Высш.шк.,1993
Интернет-ресурсы:
«Алкалоз» , «Ацидоз»- http://ru.wikipedia.org/wiki
17
studfiles.net
В организме человека в результате протекания различных метаболических процессов постоянно образуются большие количества кислых продуктов. Среднесуточная норма их выделения соответствует 20-30 литрам раствора сильной кислоты с молярной концентрацией химического эквивалента кислоты равной 0,1 моль/л (или 2000-3000 ммоль химического эквивалента кислоты).
Образуются при этом и основные продукты: аммиак, мочевина, креатин и др., – но только в гораздо меньшей степени.
В состав кислых продуктов обмена веществ входят как неорганические (h3CO3,h3SO4), так и органические (молочная, масляная, пировиноградная и др.) кислоты.
Соляная кислота секретируется париетальными гландулацитами и выделяется в полость желудка со скоростью 1-4 ммоль/час.
Угольная кислота является конечным продуктом окисления липидов, углеводов, белков и различных других биоорганических веществ. В пересчете на СО2ежесуточно ее образуется до 13 молей.
Серная кислота выделяется при окислении белков, поскольку в их состав входят серосодержащие аминокислоты: метионин, цистеин.
При усвоении 100 г белка выделяется около 60 ммоль химического эквивалента h3SO4.
Молочная кислота в большом количестве образуется в мышечных тканях при физических нагрузках.
Из кишечника и тканей образовавшиеся при обмене веществ кислые и основные продукты постоянно поступают в кровь и межклеточную жидкость. Однако подкисление этих сред не происходит и их водородный показатель поддерживается на определенном постоянном уровне.
Так значения рН большей части внутриклеточных жидкостей находится в интервале от 6,4 до 7,8, межклеточной жидкости – 6,8-7,4 (в зависимости от вида тканей).
Особенно жесткие ограничения на возможные колебания значений рН накладываются на кровь. Состоянию нормы соответствует интервал значений рН = 7,4±0,05.
Постоянство кислотно-основного состава биологических жидкостей человеческого организма достигается совместным действием различных буферных систем и ряда физиологических механизмов. К последним прежде всего относятся деятельность легких и выделительная функция почек, кишечника, клеток кожи.
Основными буферными системами человеческого организма являются: гидрокарбонатная (бикарбонатная), фосфатная, белковая, гемоглобиновая и оксигемоглобиновая. В различных количествах и сочетаниях они присутствуют в той или иной биологической жидкости. Причем только кровь содержит в своем составе все четыре системы.
Кровь представляет собой взвесь клеток в жидкой среде и поэтому ее кислотно-основное равновесие поддерживается совместным участием буферных систем плазмы и клеток крови.
Бикарбонатная буферная система является самой регулируемой системой крови. На ее долю приходится около 10% всей буферной емкости крови. Она представляет собой сопряженную кислотно-основную пару, состоящую из гидратов молекул СО2(СО2· Н2О) (выполняющих роль доноров протонов) и гидрокарбонат ионов НСО3–(выполняющих роль акцептора протонов).
Гидрокарбонаты в плазме крови и в других межклеточных жидкостях находятся главным образом в виде натриевой соли NaНСО3, а внутри клеток – калиевой соли.
Концентрация ионов НСО3–в плазме крови превышает концентрацию растворенного СО2примерно в 20 раз.
П
СО2
ри выделении в кровь относительно больших количеств кислых продуктов ионы Н+взаимодействуют с НСО3–.
Н
++ НСО3–= Н2СО3
Н2О
Последующее снижение концентрации получившегося СО2достигается в результате его ускоренного выделения через легкие в результате их гипервентиляции.
Если же в крови увеличивается количество оснóвных продуктов, то происходит их взаимодействие со слабой угольной кислотой:
Н2СО3+ ОН–→ НСО3–+ Н2О
При этом концентрация растворенного углекислого газа в крови уменьшается. Для сохранения нормального соотношения между компонентами буферной системы происходит физиологическая задержка в плазме крови некоторого количества СО2за счет гиповентиляции легких.
Фосфатная буферная системапредставляет собой сопряженную кислотно-оснóвную пару Н2РО4–/НРО42–.
Роль кислоты выполняет дигидрофосфат натрия Nah3PO4, а роль ее соли – гидрофосфат натрияNa2HPO4. Фосфатная буферная система составляет всего лишь 1% буферной емкости крови. Отношение С(Н2РО4–)/С(НРО42–) в ней равно 1 : 4 и не изменяется со временем, т.к., избыточное количество какого-либо из компонентов выделяется с мочой, правда, это происходит в течение 1-2 суток, т.е. не так быстро, как в случае гидрокарбонатного буфера.
Фосфатная буферная система играет решающую роль в других биологических средах: некоторых внутриклеточных жидкостях, моче, выделениях (или соках) пищеварительных желез.
Белковый буферпредставляет собой систему из белковых (протеиновых) молекул, содержащих в своих аминокислотных остатках как кислотные СООН-группы, так и оснóвныеNh3-группы, выполняющие роль слабой кислоты и основания. Компоненты этого буфера могут быть условно выражены следующим образом:
| 1) | Pt-COOH | + | Pt-COONa | Pt-COOH/Pt-COO– |
| слабодиссоци-ированная белок-кислота | соль, образованная сильным основанием | |||
| 2) | Pt-Nh3 | + | Pt-Nh4Cl | (Pt-Nh3/Pt-Nh4+ |
| слабодиссоци-ированное белок-основание | соль, образованная сильной кислотой |
Таким образом, белковый буфер по своему составу является амфотерным. При увеличении концентрации кислых продуктов с ионами Н+могут взаимодействовать как белок–соль (Pt-СОО–), так и белок–основание (Pt-Nh3):
Pt-COO– + H+ → Pt-COOH
Pt-Nh3 + H+ → Pt-Nh4+
Нейтрализацию основных продуктов обмена веществ осуществляют за счет взаимодействия с ионами ОН–как белок - кислота (Pt-СООН), так и белок–соль (Pt-Nh4+)
Pt-COOН +OH–→Pt-COO–+ Н2О
Pt-Nh4++OH–→Pt-Nh3+ Н2О
Благодаря белкам все клетки и ткани организма обладают определенным буферным действием. В связи с этим попадающее на кожу небольшое количество кислоты или щелочи, довольно быстро оказывается нейтрализованным и не вызывает химического ожога.
Наиболее могучими буферными системами крови являются гемоглобиновый и оксигемоглобиновый буфера, которые находятся в эритроцитах. На их долю приходится примерно 75% всей буферной емкости крови. По своей природе и механизму действия они относятся к белковым буферным системам.
Гемоглобиновый буфер присутствует в венозной крови и его состав можно условно отобразить следующим образом:
| HHв | + | KНв |
| слабая органическая кислота | соль этой кислоты |
Поступающие в венозную кровь СО2и другие кислые продукты обмена веществ реагируют с калиевой солью гемоглобина.
KHв +CO2→KНСО3+HHв
Попадая в капилляры легких гемоглобин превращается в оксигемоглобин ННвО2, присоединяя к себе молекулы О2.
О
СО2
Н2О
ксигемоглобин обладает более сильными кислотными свойствами, чем гемоглобин и угольная кислота. Он взаимодействует с гидрокарбонатом калия, вытесняя из него Н2СО3, которая распадается на СО2и Н2О. Образовавшийся избыточный СО2через легкие удаляется из крови.HHвO2+KНСО3→KHвO2+ Н2CО3
Системы гемоглобинового и оксигемоглобинового буферов являются взаимопревращающимися системами и существуют как единое целое. Они в значительной степени способствуют поддержанию в крови концентрации гидрокарбонат-ионов НСО3–(так называемый щелочной резерв крови) на постоянном уровне.
studfiles.net
Новгородский Государственный Университет им. Ярослава Мудрого
кафедра «Химия и экология»
Реферат на тему
« Буферные системы организма»
Проверила: доцент кафедры Олисова Г.А
« » __________ ____________
Выполнила: студентка 1 курса
стоматологического факультета
гр. 0442 Поликарпова Наталья
В. Новгород
2010 План
Биологические буферные системы
Большинство биожиткостей организма способно сохранять значение pH при незначительных внешних воздействий, так как они являются буферными растворами.
Буферный раствор – это раствор, содержащий протолитическую равновесную систему, способную поддерживать практически постоянное значение pH при разбавлении или при добавлении небольших количеств кислот или щелочи.
В протолитических буферных растворах компонентами являются донор протона и акцептор протона, представляющие собой сопряженную кислотно- основную пару.
По принадлежности слабого электролита к классу кислот или оснований буферные системы делятся на кислотные и основные.
Кислотными буферными системами называются растворы, содержащие слабую кислоту ( донор протона) и соль этой кислоты ( акцептор протона). Кислотные буферные растворы могут содержать различные системы: ацетатную (Ch4COO-, Ch4COOH), гидрокарбонатную ( HCO3-, h3CO3), гидрофосфатную ( HPO22-, h3PO4-).
Основными буферными системами называются растворы, содержащие слабые основания ( акцептор протона) и соль этого основания ( донор протона).
Буферные системы организма
Организм можно определить как физико-химическую систему, существующую в окружающей среде в стационарном состоянии. Именно эта способность живых систем сохранять стационарное состояние в условиях непрерывно меняющейся среды и обусловливает их выживание. Для обеспечения стационарного состояния у всех организмов – от морфологически самых простых до наиболее сложных – выработались разнообразные анатомические, физиологические и поведенческие приспособления, служащие одной цели – сохранению постоянства внутренней среды.
Это относительное динамическое постоянство внутренней среды (крови, лимфы, тканевой жидкости) и устойчивость основных физиологических функций (кровообращения, дыхания, терморегуляции, обмена веществ и т.д.) организма человека и животных называется гомеостазом.
Этот процесс осуществляется преимущественно деятельностью лёгких и почек за счёт дыхательной и выделительной функции. В основе гомеостаза лежит сохранение кислотно-основного баланса.
Основная функция буферных систем предотвращение значительных сдвигов рН путём взаимодействия буфера как с кислотой, так и с основанием. Действие буферных систем в организме направлено преимущественно на нейтрализацию образующихся кислот.
Н+ + буфер- <==> Н-буфер
В организме одновременно существует несколько различных буферных систем. В функциональном плане их можно разделить на бикарбонатную и небикарбонатную. Небикарбонатная буферная система включает гемоглобин, различные белки и фосфаты. Она наиболее активно действует в крови и внутри клеток.
Гидрокарбонатная буферная система образована оксидом углерода (IV).
СО2 + Н2О↔ СО2 ∙ Н2О ↔ Н2СО3↔ Н+ + НСО3-
В этой системе донором протона является угольная кислота h3CO3, а акцептором протона – гидрокарбонат-ион HCO3- .С учетом физиологии условно весь CO2 в организме, как просто растворенный, так и гидратированный до угольной кислоты, принято рассматривать как угольную кислоту.
Угольная кислота при физиологическом значении pH= 7,40 находится преимущественно в виде моноаниона, а отношение концентраций компонентов в гидрокарбонатной буферной системе крови [ HCO3-]\ [CO2]=20:1. Следовательно, гидрокарбонатная система имеет буферную емкость по кислоте значительно больше буферной емкости по основанию. Это отвечает особенностям нашего организма.
Если в кровь поступает кислота и увеличивается концентрация иона водорода, то он, взаимодействует с HCO3- , смещает в сторону h3CO3 и приводит к выделению газообразного углекислого газа, который выделяется из организма в процессе дыхания через легкие.
Н+ + НСО3- ↔ Н2СО3 ↔ СО2↑ + Н2О
При поступлении в кровь оснований, они связываются угольной кислотой , и равновесие смещается в сторону HCO3-.
ОН- + Н2СО3 ↔ НСО3- + Н2О
Главное назначение гидрокарбонатного буфера заключается в нейтрализации кислот. Он является системой быстрого и эффективного реагирования, так как продукт его взаимодействия с кислотами – углекислый газ – быстро выводится через легкие. Нарушение кислотно- основного равновесия в организме прежде всего компенсируется с помощью гидрокарбонатной буферной системы ( 10-15 мин.)
Гидрокарбонатный буфер является основной буферной системой плазмы крови, обеспечивающей около 55% от всей буферной емкости крови. Гидрокарбонатный буфер содержится также в эритроцитах, межклеточной жидкости и в почечной ткани.
гидрофосфатная буферная система содержится как в крови, так и в клеточной жидкости других тканей, особенно почек. В клетках она представлена К2НРО4 и КН2РО4 , а в плазме крови и межклеточной жидкости
Nа2НРО4 и NаН2РО4. Роль донора протона в этой системе играет ион Н2РО4-, а акцептора – ион НРО42-.
В норме отношение форм [НРО42-]\[ Н2РО4-] =4:1. Следовательно, и эта система имеет буферную емкость по кислоте больше, чем по основанию. При увеличении концентрации катионов водорода во внутриклеточной жидкости, например в результате переработки мясной пищи, происходит их нейтрализация ионами НРО42-.
Н+ + НРО42- ↔ Н2РО4-
Образующийся избыточный дигидрофосфат выводится почками, что приводит к снижению величины рН мочи.
При увеличении концентраций оснований в организме, например при употреблении растительной пищи, они нейтрализуются ионами Н2РО4-
ОН- + Н2РО4- ↔ НРО42- + Н2О
Образующийся избыточный гидрофосфат выводится почками, при этом рН мочи повышается.
В отличии от гидрокарбонатной , фосфатная система более « консервативная», так как избыточные продукты нейтрализации выводятся через почки и полное восстановление отношений [НРО42-]\[ Н2РО4-] происходит только через 2-3 сут. Длительности легочной и почечной компенсации нарушений отношения компонентов в буферных системах необходимо учитывать при терапевтической коррекции нарушений кислотно- основного равновесия организма.
гемоглабиновая буферная система является сложной буферной системой эритроцитов, которая включает в качестве донора протона две слабые кислоты: гемоглобин ННb и оксигемоглобин ННbО2. роль акцептора протона играет сопряженные этим кислотам основания, т.е. их анионы Нb- и НbО2-.
Н+ + Нb-↔ ННb
Н+ + НbО2- ↔ ННb + О2
При добавлении кислот поглощать ионы Н+ в первую очередь будут анионы гемоглобина, которые имеют большое сродство к протону. При действии основания оксигемоглобин будет проявлять большую активность, чем гемоглобин.
ОН- + ННbО2 ↔ НbО2- + Н2О ОН- + ННb↔ Нb- + Н2О
Таким образом, гемоглобиновая система крови играет значительную роль сразу в нескольких важнейших физиологических процессах организма: дыхании, транспорте кислорода в ткани и поддержании постоянства рН внутри эритроцитах, а конечном итоге - в крови. Эта система эффективно функционирует только в сочетании с другими буферными системами организма.
белковые ( протеиновые) буферные системы в зависимости от кислотно-основных свойств белка, характеризующиеся его изоэлектрической точкой, бывают анионного и катионного типа.
Анионный белковый буфер работает при рН>рIбелка и состоит из донора протонов – молекулы белка НРrot, имеющей биполярно- ионное строение , и акцептора протонов – анион Рrot-.
Н3N+ – Рrot – СООН ↔ Н+ + Н3N – Рrot – СОО-
кратко Н2Рrot ↔ Н+ + ( НРrot)-
При добавлении кислоты это равновесие смещается в сторону образование молекулы белка, а при добавлении основания в системе увеличивается содержание аниона белка.
Катионная белковая б буферная система работает при рН<рIбелка и состоит из донора протона – катиона белка Н2Рrot и акцептора протона - молекулы белка НРrot.
Н3N+ – Рrot – СООН↔ Н+ + Н3N – Рrot – СОО-
кратко (Н2Рrot)+ + НРrot
Катионная буферная система НРrot, (Н2Рrot)+ обычно поддерживает величину рН в физиологических средах с рН < 6, а анионная белковая буферная система (Рrot)- , НРrot – в средах с рН >6. В крови работает анионный белковый буфер.
Взаимодействии буферных систем в организме
Сохранение постоянства кислотности жидких сред имеет для жизнедеятельности человеческого организма первостепенное значение, потому что, во-первых, ионы Н+ оказывают каталитическое действие на многие биохимические превращения; во-вторых, ферменты и гормоны проявляют биологическую активность только в строго определенном интервале значений рН; в-третьих, даже небольшие изменения концентрации ионов водорода в крови и межтканевых жидкостях ощутимо влияют на величину осмотического давления в этих жидкостях.
Нередко отклонения рН крови от нормального для нее значения 7,36 всего лишь на несколько сотых приводят к неприятным последствиям. При отклонениях порядка 0,3 единицы в ту или другую сторону может наступит тяжелое коматозное состояние, а отклонения порядка 0,4 единицы могут повлечь даже смертельный исход. Впрочем, в некоторых случаях, при ослабленном иммунитете, для этого оказывается достаточными и отклонения порядка 0,1 единицы рН.
turboreferat.ru
Для характеристики КОР крови введен ряд понятий. Буферная емкость - величина, определяемая отношением между количеством Н + или ОН-, добавленных к раствору, степени изменения его рН: чем меньше смещение рН, тем больше емкость. Сумма анионов всех слабых кислот называется буферными основаниями (ВВ). Содержание их в крови составляет около 48 ммоль / л. Отклонение по концентрации буферных оснований от нормы обозначается термином «излишек основ» (BE). То есть идеальным является BE около 0. В норме возможны колебания в пределах от -2,3 до +2,3 ммоль/л. Смещение в положительную сторону называется алкалозом, а в отрицательный - ацидозом. В случае алкалоза рН крови становится выше 7,43, в случае ацидоза - ниже 7,36.
Механизм регуляции КОР крови в целостном организме заключается в совместном действии внешнего дыхания, кровообращения, выделения и буферных систем. Так, если в результате повышенного образования Н2С03 или других кислот будут появляться излишки анионов, то они сначала нейтрализуются буферными системами. Параллельно интенсифицируется дыхание и кровообращение, что приводит к увеличению выделения углекислого газа легкими. Нелетучие кислоты в свою очередь выводятся с мочой или потом.
Наоборот, при увеличении содержания в крови основ снижается выделение С02 легкими (гиповентиляция) и Н + с мочой. Подключение систем дыхания, кровообращения и выделения к поддержанию КОР обусловлено соответствующими механизмами регуляции функции этих органов. Наконец, в норме рН крови может изменяться лишь на короткое время. Естественно, что при поражении легких или почек функциональные возможности организма по поддержанию КОР на должном уровне снижаются. В случае появления в крови большого количества кислых или основных ионов только буферные механизмы (без помощи систем выделения) не удержат рН на константной уровне. Это приводит к ацидозу или алкалозу.
fiziologija.vse-zabolevaniya.ru
Буферные системы крови. - раздел Химия, Предмет и задачи химии. Место химии в системе естественных наук
Наиболее мощными буферными системами крови являются гемоглобиновый и оксигемоглобиновый буфера, которые составляют примерно 75% всей буферной емкости крови. Буферные, свойства гемоглобина по своему механизму действия идентичны белковым буферным системам: кислые продукты обмена веществ взаимодействуют с калиевой солью гемоглобина с образованием эквивалентного количества их калиевых солей и свободного гемоглобина, обладающего свойством слабой органической кислоты. Кроме того, система оксигемоглобин – гемоглобин участвует в ещё одном своеобразном механизме поддержания постоянства рН крови. Как известно, венозная кровь содержит большие количества углекислоты в виде бикарбонатов, а также С02, связанной с гемоглобином. Через легкие углекислота выделяется в воздух; однако сдвига рН крови в щелочную сторону не происходит, так как образующийся оксигемоглобин является более сильной кислотой, чем гемоглобин. В тканях, в артериальной крови под влиянием низкого парциального давления кислорода оксигемоглобин диссоциирует и кислород диффундирует в ткани. Образующийся при этом гемоглобин, однако, не обусловливает изменения рН крови в щелочную сторону, так как в кровь из тканей поступает углекислота. Учитывая, что постоянство кислотно-щелочного равновесия в организме играет существенную роль в течение всех биохимических процессов, в клинике при анализе крови значительный интерес представляет определение резервной щелочности крови. В поддержании в организме кислотно-щелочного равновесия участвуют несколько буферных систем, как-то: оксигемоглобиновый, белковый; карбонатный и фосфатный, а также ряд органов — легкие, почки, кожа, печень, одной из функций! которой является нейтрализация кислых продуктов обмена, и кишечник.
– Конец работы –
Эта тема принадлежит разделу:
Буферные системы их классификация и механизм действия Емкость буферных систем... Буферными системами буферами называют растворы обла дающие свойством... Буферные системы крови...
Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ: Буферные системы крови.
Предмет и задачи химии. Место химии в системе естественных наук. Курс общей химии для медиков отличается медико-биологической ориентацией при изучении этого курса необход
Одностадийные, гомогенные, гетерогенные. В зависимости от механизма реакции бывают простые (идут в одну стадию) и сложные (многостадийные). Сложные р
Закон действующих масс для скорости реакции. Константа скорости реакции. Необходимым условием того, чтобы между частицами (молекулами, ионами) исходных веществ произошло химическ
Порядок реакции. Уравнение кинетики 1-го и 2-го порядка. Период полупревращения. Порядок определяется по применимости к ним тех или иных форм уравнений кинетики реакций. Порядок реакции р
Зависимость скорости реакции от температуры. Температурный коэффициент скорости реакции. При повышении температуры в значительной степени увеличивания скорость химических реакций. Это увеличени
Уравнение Аррениуса. Энергия активации. Теория активных соударений. Для определения скорости и направления реакции основным фактором является энергия активации. Скорость люб
Активация и ингибирование ферментов. Нередко действие катализаторов связано с влиянием на них некоторых веществ, обладающих способностью угн
Понятие о кинетики сложных реакций. Параллельный, последовательные, сопряженные и цепные реакции. Примером параллельной реакции может служить также термическое разложение бертолетовой соли. Последовате
Роль растворов в жизнедеятельности организмов. Вода как растворитель. Для изучения биологических и медицинских дисциплин большой интерес представляет учение о растворах. Раств
Изоэлектрическое состояние и изоэлектрическая точка амфолитов Аминокислоты проявляют свойства и кислот, и оснований. Такие соединения представляют собой амфотерные эле
Концентрация растворов и способы их выражения. Концентрацией раствора называется количество растворенного вещества, содержащееся в определенном колич
Сольватная теория растворов. При растворении многих веществ их молекулы (или ионы) связываются с молекулами растворителя, образуя соед
Растворимость газов в жидкостях. Кессонная болезнь. Вещества со слабополярными молекулами, например жирны; кислоты, лучше растворяются в растворителях, молеку
Растворимость жидкости и твердых тел в жидкостях. Гидраты и кристаллогидраты. Рассмотрим растворимость твердых веществ в жидкостях и жидкостей в жидкостях и условия фазовых равновесий
Вязкость растворов. Аномальная вязкость растворов ВМС. Вязкостью или внутренним трением называют меру сопротивления среды движению. Измерение вязкости - самый п
Растворы ВМС. Набухание. Общая характеристика растворов ВМС. К высокомолекулярным соединениям относят вещества с молекулярным весом от нескольких тысяч до нескольких
Удельная, приведенная, относительная и характеристическая вязкость. Увеличение вязкости связанное с изменением концентрации при растворении полимера, принято характеризоват
Вязкозиметрическое определение молекулярной массы полимеров. Осмотическое давление в растворах собственно коллоидов и полимеров, как и в истинных растворах, пропорцион
Вязкость крови и других биологических жидкостей. Осмотическое давление в жидкостях организма (кровь, лимфа, межклеточная жидкость, спинномозговая жидкость
Коллигативные свойства растворов. Осмотическое давление растворов ВМС существенно отличается от рассчитываемого согласно уравнению Вант Г
Относительное понижение давления насыщенного пара и закон Рауля. Идеальные растворы. Растворы многими свойствами отличаются от чистых растворителей. Например, давление пара растворителя над
Понижение температуры замерзания и повышение температуры кипения, зависимость их от концентрации раствора. Определение величины, на которую повышается температура кипения растворов, называется эбулиометрией (
Осмос и осмотическое давление. Закон Вант Гоффа Процесс самопроизвольного проникновения растворителя через полупроницаемую мембрану и представляет собо
Осмотическое давление в растворах биополимеров. Мембранное равновесие Доннане. Осмотическое давление растворов высокомолекулярных соединений значительно увеличивается с ростом конце
Роль осмоса и осмотическое давление в биологических системах. Роль осмотических явлений в различных физиологических процессах чрезвычайно велика. Постоянство осмотич
Плазмолиз и гемолиз. Обилие воды в клетках и тканях необходимы для нормального течения многообразных физических и химических п
Растворы слабых и сильных электролитов. Степень и константа диссоциации слабых электролитов. Электролитами называют вещества, которые в растворенном (или расплавленном) состоянии проводят электр
Электролиты в организме человека. Электролитический состав крови. Коллоидные растворы клеток и биологических жидкостей находятся в соприкосновении с электролитами. Поэто
Диссоциация воды. Ионное производство воды. Водный показатель. Чистая вода очень плохо проводит электрический ток, но все же обладает измеримой электропроводностью, кот
Интервалы значения pH для различных жидкостей человеческого организма. Постоянство концентрации водородных ионов является одной из существенных констант внутренней среды орган
Уравнение Гендерсона Гассельбаха. Примером кислотного буфера может служить ацетатный буферный раствор, содержащий смесь уксусной кислоты и
Понятие о кислотно-щелочном состоянии крови. Величина рН крови зависит от концентраций свободной растворенной в крови Н2СОз и кислоты, связанной в
Кислотно-основное титрование. Кривые титрования. Точка эквивалентности. Выбор индикатора. Применение в медицине. Титриметрические методы анализа широко применяются в медицине в биохимических лабораториях для анализов
Гидролиз солей. Степень гидролиза в биологических процессах. Гидролизом называется процесс взаимодействия ионов соли Е ионами воды. Гидролиз солей является процессом,
Реакция осаждения и растворения. Производные растворимости. Аргентометрия. Применение в медицине. Количественно растворимость различных веществ выражается концентрацией насыщенных растворов. Растворимо
Оксидометрия, иодометрия, перманганатометрия. Применение в медицине. В зависимости от применяемых титрантов различают несколько видов окислительно-восстановительного титров
Электронное облако орбиталь. Представление об электроне как о материальной точке не соответствует его истинной физической природе. П
Метод валентных связей. Механизм образования валентных связей. Образование химической связи между атомами водорода является результатом взаимопроникновения электрон
Принцип Паули. Правило Хунда. Основное и возбужденное состояние атома. Для определения состояния электрона в многоэлектронном атоме важное значение имеет сформулированное В. П
Виды связей. Кратность связи. В молекуле водорода перекрывание атомных S-электронных облаков происходит вблизи прямой, соединяющей ядра
Насыщенность, направленность и длина связи. Атомы обладают разнообразными возможностями для образования ковалентных связей. Последние могут создав
Понятие о гибридизации атомных орбиталей. Геометрия молекул. Метод гибридизации атомных орбиталей исходит из предположения, что при образовании молекулы вместо исход
Ионная связь как предельно поляризованная ковалентная связь. Связь такого типа осуществляется в результате взаимного электростатического притяжения противоположно
Метод молекулярных орбиталей. Связывающие и разрыхляющие орбитали. В методе молекулярных орбиталей (МО) к рассмотрению электронной структуры молекулы подходят так же, как и
Водородная связь. Молекулярная и внутри молекулярная водородная связь. Если атом водорода связан ковалентной связью с каким-либо электроотрицательным элементом, то он может одно
Комплексные соединения. Координационная теория Вернера. Любое взаимодействие между атомами, ионами, молекулами, ионами и молекулами и т.д. сопровождается определен
Центральный атом, лиганды, координационное число центрального атома. Химия комплексных (координационных) соединений изучает ионы и молекулы, состоящие из центральной частицы и
Внутрикомплексные соединения. (хелаты). Полидентатные лиганды, занимая в координационной сфере два и более места, образуют циклические комплексы,
Комплексоны и их применение в медицине. Токсический эффект некоторых комплексов используется для создания противораковых и противомикробных пре
Реакция комплексообразования. Природа химической связи в комплексных соединениях. Образование многих комплексных соединений можно в пер
Номенклатура комплексных соединений. К основным типам комплексных соединений относятся следующие: 1. Аммиакаты — комплексы, в которых лиганд
Константа нестойкости и устойчивости комплексных ионов. Частицы, находящиеся во внешней сфере, связаны с комплексным ионом преимущественно электростатическими си
Общая характеристика p - элементов. р-Элементы третьей группы в микроколичествах входят в состав биомолекул, связываясь с атомами кислорода ил
allrefers.ru
