Какие системы проявляют буферные свойства
Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 28 августа 2018;
проверки требуют 15 правок.
Бу́ферные систе́мы кро́ви (от англ. buffer, buff — «смягчать удар») — физиологические системы и механизмы, обеспечивающие заданные параметры кислотно-основного равновесия в крови[1]. Они являются «первой линией защиты», препятствующей резким перепадам pH внутренней среды живых организмов.
Циркулирующая кровь представляет собой взвесь живых клеток в жидкой среде, химические свойства которой очень важны для их жизнедеятельности. У человека за норму принят диапазон колебаний pH крови 7,37—7,44 со средней величиной 7,4. Буферные системы крови слагаются из буферных систем плазмы и клеток крови и представлены следующими системами[1][2]:
- бикарбона́тная (водородкарбонатная) бу́ферная систе́ма;
- фосфа́тная бу́ферная систе́ма;
- белко́вая бу́ферная систе́ма;
- гемоглоби́новая бу́ферная система;
- эритроциты.
Помимо этих систем также активно участвуют дыхательная и мочевыделительная системы[1].
Бикарбонатная буферная система[править | править код]
Одна из самых мощных и вместе с тем самая управляемая система[2] внеклеточной жидкости и крови, на долю которой приходится около 53 % всей буферной ёмкости крови. Представляет собой сопряжённую кислотно-основную пару, состоящую из молекулы угольной кислоты H2CO3, являющейся источником протона, и бикарбонат-аниона HCO3−, выполняющего функцию акцептора протона:
Вследствие того, что концентрация гидрокарбоната натрия в крови значительно превышает концентрацию H2CO3, буферная ёмкость этой системы будет значительно выше по кислоте. Иначе говоря, гидрокарбонатная буферная система особенно эффективно компенсирует действие веществ, увеличивающих кислотность крови. К числу таких веществ прежде всего относят молочную кислоту, избыток которой образуется в результате интенсивной физической нагрузки. Гидрокарбонатная система наиболее «быстро» отзывается на изменение pH крови[2].
Фосфатная буферная система[править | править код]
В крови ёмкость фосфатной буферной системы невелика (составляет около 2 % общей буферной ёмкости), в связи с низким содержанием фосфатов в крови. Фосфатный буфер выполняет значительную функцию в поддержании физиологических значений рН во внутриклеточных жидкостях и моче.
Буфер образован неорганическими фосфатами. Функцию кислоты в этой системе выполняет однозамещённый фосфат (NaH2PО4), а функцию сопряженного основания — двузамещённый фосфат (Na2HPО4). При рН 7,4 соотношение [НРО42-/Н2РО4-] равняется поскольку при температуре 25+273,15K pKa, ортоII=7,21[3], при этом средний заряд аниона ортофосфорной кислоты < q >=((-2)*3+(-1)*2)/5=-1,4 единиц заряда позитрона.
Буферные свойства системы при увеличении в крови содержания водородных ионов реализуются за счет их связывания с ионами НРО42- с образованием Н2РО4-:
а при избытке ионов ОН- — за счет связывания их с ионами Н2РО4-:
Фосфатная буферная система крови тесно взаимосвязана с бикарбонатной буферной системой.
Белковая буферная система[править | править код]
В сравнении с другими буферными системами имеет меньшее значение для поддержания кислотно-основного равновесия (7—10 % буферной ёмкости).
Белки́ плазмы крови благодаря наличию кислотно-основных групп в молекулах белков (белок—H+ — кислота, источник протонов и белок− — сопряжённое основание, акцептор протонов) образуют буферную систему, наиболее эффективную в диапазоне pH 7,2—7,4[1].
Основную часть белков плазмы крови (около 90 %) составляют альбумины и глобулины. Изоэлектрические точки этих белков (число катионных и анионных групп одинаково, заряд молекулы белка равен нулю) лежат в слабокислой среде при pH 4,9—6,3, поэтому в физиологических условиях при pH 7,4 белки находятся преимущественно в формах «белок-основание» и «белок-соль».
Буферная ёмкость, определяемая белками плазмы, зависит от концентрации белков, их вторичной и третичной структуры и числа свободных протон-акцепторных групп. Эта система может нейтрализовать как кислые, так и основные продукты. Однако вследствие преобладания формы «белок-основание» её буферная ёмкость значительно выше по кислоте.
Буферная ёмкость свободных аминокислот плазмы крови незначительна как по кислоте, так и по щелочи. При физиологическом значении pH их мощность мала. Практически только одна аминокислота — гистидин — обладает значительным буферным действием при значении pH, близком к плазме крови.[2]
Эритроциты[править | править код]
Во внутренней среде эритроцитов в норме поддерживается постоянное значение pH, равное 7,30. Здесь также действуют гидрокарбонатная и фосфатная буферные системы. Однако их мощность отличается от таковой в плазме крови. Кроме того, в эритроцитах белковая система гемоглобин-оксигемоглобин играет важную роль как в процессе дыхания (транспортная функция по переносу кислорода к тканям и органам и удалению из них метаболической CO2), так и в поддержании постоянства pH внутри эритроцитов, а в результате и в крови в целом. Эта буферная система в эритроцитах тесно связана с гидрокарбонатной системой.[2]
Гемоглобиновая буферная система[править | править код]
Буферная система крови (75 % буферной ёмкости). Играет важную роль как в процессе дыхания (транспортная функция по переносу кислорода к тканям и органам и удалению из них метаболической CO2), так и в поддержании постоянства pH внутри эритроцитов, а в результате и в крови в целом.[2]
См. также[править | править код]
- Буферный раствор
Примечания[править | править код]
- ↑ 1 2 3 4 Березов Т. Т., Коровкин Б. Ф. Биологическая химия: Учебник — 1990 г. — стр. 452—455.
- ↑ 1 2 3 4 5 6 Ершов. Общая химия.Биофизическая химия.Химия биогенных элементов. — Издание восьмое, стериотипное. — Москва: Высшая школа, 2010. — 559 с. — ISBN 978-5-06-006180-2.
- ↑ И.Т.Гороновский, Ю.П.Назаренко, Е.Ф.Некряч. Краткий справочник по химии. — Пятое издание, исправленное и дополненное. — Киев: Наукова Думка, 1987. — С. 348. — 828 с.
Литература[править | править код]
- Березов Т. Т., Коровкин Б. Ф. [www.xumuk.ru/biologhim/ Биологическая химия: Учебник] / Под. ред. акад. АМН СССР С. С. Дебова.— 2-е изд., перераб. и доп.— М.: Медицина,— 1990.— 528 с., С. 452—455. ISBN 5-225-01515-8.
- Ершов. Общая химия.Биофизическая химия.Химия биогенных элементов. — Издание восьмое,стереотипное. — Москва: Высшая школа, 2010. — 559 с. — ISBN 978-5-06-006180-2.
Некоторые внешние ссылки в этой статье ведут на сайты, занесённые в спам-лист. Эти сайты могут нарушать авторские права, быть признаны неавторитетными источниками или по другим причинам быть запрещены в Википедии. Редакторам следует заменить такие ссылки ссылками на соответствующие правилам сайты или библиографическими ссылками на печатные источники либо удалить их (возможно, вместе с подтверждаемым ими содержимым). |
Тема: Патофизиология кислотно-основного состояния
Введение
Кислотно-основное состояние (КОС)–соотношение между концентрациями ионов водорода (Н+) и гидроксильных ионов (ОН-) в биологических средах организма.
Нарушение кислотно-основного состояния может осложнять течение многих заболеваний, являясь следствием изменений газового состава крови, метаболических расстройств, которые возникают, например, при недостаточности дыхания, кровообращения, при заболеваниях печени, почек, эндокринных органов и др.
Для оценки характера изменений КОС принято оценивать концентрацию ионов Н+ в артериальной крови, т.е. определять рН крови.
Водородный показатель рН (англ. power Hydrogen – «сила водорода») – это отрицательный десятичный логарифм концентрации ионов водорода (Н+) в растворе. Так, например, если рН=7,0 – это означает, что концентрация ионов Н+ равна 1/10 000 000 (10-7) эквивалента в литре (рН =7,0 – точка нейтральности). Растворы с высокой концентрацией ионов Н+ – кислые (рН < 7), а с низкой концентрацией ионов Н+ – щелочные (рН > 7).
рН крови – одна из самых жестких физиологических констант. В норме в артериальной крови человека рН= 7,35 -7,45, т.е. она слегка щелочная. Если рН падает ниже нормы (рН < 7,35), то возникает ацидемия (ацидоз). Если рН поднимается выше нормы (рН > 7,45), то возникает алкалемия (алкалоз).
Ацидоз – любой процесс, который снижает рН крови, тогда как алкалоз – любой процесс, который повышает рН крови.
Сдвиг рН на 0,1 по сравнению с физиологической нормой способен привести к тяжелой патологии (например, нарушение дыхательной, сердечно-сосудистой систем). При сдвиге рН крови на 0,2 развивается коматозное состояние, на 0,3 – организм гибнет.
При существенных сдвигах рН в ту или иную сторону нарушаются функции клеток, прежде всего работа их многочисленных ферментных систем, изменяются направленность и интенсивность окислительно-восстановительных процессов. Изменяется водно-электролитный баланс, увеличивается проницаемость клеточных мембран и др.
Таким образом, для эффективного протекания процессов жизнедеятельности концентрация ионов Н+ должна находиться в жестких пределах. В противном случае нарушение этих процессов неминуемо приведёт к смерти.
Для поддержания концентрации ионов Н+ и соответственно рН в организме существуют специальные системы – это химические буферные системы и физиологические механизмы регуляции КОС.
Механизмы регуляции КИСЛОТНО-ОСНОВНОГО СОСТОЯНИЯ
В норме в организме образуется почти в 20 раз больше кислых продуктов, чем щелочных. В связи с этим доминируют системы, обеспечивающие нейтрализацию, экскрецию и секрецию избытка соединений с кислыми свойствами. К этим системам относятся:
• химические буферные системы;
• физиологические механизмы регуляции КОС (органы дыхания, почки, печень, поджелудочная железа, желудок).
Химические буферные системы.
Химические буферные системы представлены, в основном, гидрокарбонатным, фосфатным, белковым и гемоглобиновым буферами. Буферные системы начинают действовать сразу же при увеличении или снижении концентрации ионов Н+ во внеклеточной жидкости и способны устранить умеренные сдвиги КОС в течение 10-40 секунд. Ёмкость и эффективность буферных систем крови весьма высока (табл. 1).
Буфер – это вещество, которое либо связывает, либо выделяет ионы Н+ в зависимости от концентрации Н+ в окружающей среде. Поэтому буфер препятствует большим изменениям концентрации ионов Н+.
Буферная ёмкость – величина, равная соотношению между количеством ионов Н+ (или ОН-), добавленных в раствор, и изменением рН.
Принцип действия химических буферных систем заключается в трансформации сильных кислот и сильных оснований в слабые.
Табл. 1.Относительная ёмкость буферов крови
| Буферная ёмкость крови | Общая | Плазма | Эритроциты |
| Общая ёмкость | 100 % | 43 % | 57 % |
| Гидрокарбонатный Гемоглобиновый Белковый Фосфатный | 53 % 35 % 7 % 5 % | 35 % — 7 % 1 % | 18 % 35 % — 4 % |
Гидрокарбонатная буферная система (бикарбонатная) – основной буфер крови и межклеточной жидкости. Гидрокарбонатный буфер – система открытого типа, она ассоциирована с функцией внешнего дыхания и почек (табл. 2).
Гидрокарбонатная буферная система представлена угольной кислотой (Н2СО3) и гидрокарбонатом натрия (калия), имеющим общий ион НСО3-. Этот ион в основном образуется при диссоциации гидрокарбоната и подавляет диссоциацию слабой угольной кислоты, которая легко диссоциирует:
СО2 + Н2О ↔ Н2СО3 ↔ Н+ + НСО3-
В норме соотношение «угольная кислота (Н2СО3)/гидрокарбонат (НСО3-)» поддерживается приблизительно на уровне 1:20. Это соотношение поддерживает рН на уровне 7,4.
Механизм действия гидрокарбонатной буферной системы заключается в следующем. При поступлении избытка кислот (ионы Н+) они нейтрализуются щелочным компонентом буфера (НСО3-) с образованием слабой угольной кислоты.
Образовавшийся затем углекислый газ (СО2) возбуждает дыхательный центр, и избыток СО2 удаляется из крови с выдыхаемым воздухом.
Гидрокарбонатный буфер способен нейтрализовать и избыток оснований, которые будут связаны углекислотой (Н2СО3) с образованием и последующим выделением гидрокарбоната натрия (NaНСО3) почками.
В результате рН изменяется незначительно. Эффективность гидрокарбонатной буферной системы более высокая, если рН ниже нормы, т.е. имеется ацидотический сдвиг.
Табл. 2.Начальные сдвиги и компенсаторные реакции при нарушениях КОС
| Нарушение КОС | Начальный сдвиг КОС | Реакция компенсации |
| Газовый ацидоз Газовый алкалоз Негазовый ацидоз Негазовый алкалоз | ↓рН, ↑рСО2 ↑рН, ↓рСО2 ↓рН, ↓НСО3- ↑рН, ↑НСО3- | ↑НСО3- ↓НСО3- ↓рСО2 ↑рСО2 |
Фосфатная буферная система играет существенную роль в регуляции КОС внутри клеток, особенно – канальцев почек. Это обусловлено более высокой концентрацией фосфатов в клетках по сравнению с внеклеточной жидкостью.
Фосфатный буфер состоит из двух компонентов: роль кислоты выполняет дигидрофосфат натрия (NaH2PO4),роль основания–гидрофосфат натрия (Na2HPO4). Принцип действия фосфатного буфера аналогичен гидрокарбонатному. Этот буфер имеет большое значение в почечной регуляции КОС.
Белковая буферная система – главный внутриклеточный буфер. На его долю приходится примерно три четверти (75%) буферной ёмкости внутриклеточной жидкости.
Белковая буферная система способна проявлять свои свойства за счёт амфотерности белков, которые в одном случае реагируют со щелочами как кислоты (с образованием щелочных альбуминов), а в другом – с кислотами как щелочи (с образованием кислых альбуминов). В схематическом виде эту закономерность можно проиллюстрировать следующим образом:
Гемоглобиновая буферная система – наиболее ёмкий буфер крови. Гемоглобиновый буфер состоит из кислого компонента – оксигенированного гемоглобина (HbО2) и основного – деоксигенированного гемоглобина (Hb).
Карбонаты костной ткани функционируют как депо для буферных систем организма. В костях содержится большое количество солей угольной кислоты: карбонаты Na+, К+, Cа2+, Mg2+ (могут обмениваться на ионы Н+, компенсируя ацидоз). При быстром увеличении содержания кислот (например, при острой сердечной, дыхательной или почечной недостаточности и др. состояниях) костная ткань может обеспечить до 30-40 % буферной ёмкости.
Буферные системы крови обеспечивают постоянную величину рН при поступлении в нее кислых или основных продуктов. Они является первой «чертой охраны», которая поддерживает рН, пока продукты, которые поступили, не будут выведены или использованы в метаболических процессах.
В крови есть четыре буферные системы: гемоглобиновая, бикарбонатная а фосфатная, белковая. Каждая система состоит из двух соединений — слабой кислоты и соли этой кислоты и сильного основания. Буферный эффект обусловлен связыванием и нейтрализацией ионов, поступающих соответствующим составом буфера. В связи с тем что в естественных условиях организм чаще встречается с поступлением в кровь недоокисленных продуктов обмена, антикислотные свойства буферных систем преобладают по сравнению с антиосновными.
Бикарбонатный буфер крови
Бикарбонатный буфер крови достаточно мощный и наиболее мобильный. Роль его в поддержании параметров КОР крови увеличивается за счет связи с дыханием. Система состоит из Н2С03 и NaHC03, что находятся друг от друга в соответствующей пропорции. Принцип ее функционирования заключается в том, что при поступлении кислоты, например молочной, которая сильнее, чем угольная, основной резерв обеспечивает процесс обмена ионами с образованием слабодисоциируемой угольной кислоты. Угольная кислота восполняет пул, который уже в крови, и сдвигает реакцию H2C03 C02 + Н20 вправо.
Особенно активно этот процесс осуществляется в легких, где образованный С02 сразу выводится. Возникает своеобразная открытая система бикарбонатного буфера и легких, благодаря которой напряжение свободного С02 в крови поддерживается на постоянном уровне. Это в свою очередь обеспечивает поддержание рН в рови на постоянном уровне.
В случае поступления в кровь основы происходит реакция ее с кислотой. Связывание НСО3-приводит к дефициту С02 и уменьшение выделения его легкими. При этом увеличивается основной резерв буфера, что компенсируется за счет роста выделение NaCl почками.
Буферная система гемоглобина
Буферная система гемоглобина самая мощная.
На ее долю приходится более половины буферной емкости крови. Буферные свойства гемоглобина обусловлены соотношением восстановленного гемоглобина (ННЬ) и его калиевой соли (КНЬ). В слабощелочных растворов, каким является кровь, гемоглобин и оксигемоглобин имеют свойства кислот и является донаторами Н + или К + Эта система может функционировать самостоятельно, но в организме она тесно связана с предыдущей. Когда кровь находится в тканевых капиллярах, откуда поступают кислые продукты, гемоглобин выполняет функции основания:
КНЬ + Н2С03 — ННЬ + КНС03.
В легких гемоглобин, напротив, ведет себя как кислота предотвращает защелощение крови после выделения углекислоты. Оксигемоглобин — сильнее кислота, чем дезоксигемоглобином. Гемоглобин, который освобождается, в тканях от О2, приобретает большую способность к связыванию, вследствие чего венозная кровь может связывать и накапливать С02 без существенного сдвига рН.
Белки плазмы
Белки плазмы благодаря способности аминокислот к ионизации также выполняют буферную функцию (около 7% буферной емкости крови). В кислой среде они ведут себя как основания, связывающие кислоты. В основном — наоборот, белки реагируют как кислоты, связывая основы. Эти свойства белков определяются боковыми группами. Особенно выражены буферные свойства в конечных карбокси-и аминогрупп цепей.
Фосфатная буферная система
Фосфатная буферная система (около 5% буферной емкости крови) образуется неорганическими фосфатами крови. Свойства кислоты проявляет одноосновный фосфат (NaH2P04), а основания — двухосновный фосфат (Na2HP04). Функционируют они по такому же принципу, как и бикарбонаты. Однако в связи с низким содержанием в крови фосфатов емкость этой системы невелика.
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.