5397-1 (Кислотно-основные буферные системы и растворы), страница 2

Чем больше количества компонентов кислотно-основной пары основание/ сопряженная кислота в растворе, тем выше буферная емкость этого раствора (следствие закона эквивалентов).

Буферная емкость зависит от соотношения концентраций компонентов буферного раствора, а следовательно, и от рН буферного раствора.

При рН = рК_а отношение с (соль)/ с (кислота) = 1, т. е. в растворе имеется одинаковое количество соли и кислоты. При таком соотношении концентраций рН раствора изменяется в меньшей степени, чем при других, и, следовательно, буферная емкость максимальна при равных концентрациях компонентов буферной системы и уменьшается с отклонением от этого соотношения. Буферная емкость раствора возрастает по мере увеличения концентрации его компонентов и приближения соотношения HAn/ KtAn или KtOH/ KtAn к единице.

Рабочий участок буферной системы, т. е. способность противодействовать изменению рН при добавлении кислот и щелочей, имеет протяженность приблизительно одну единицу рН с каждой стороны от точки рН = рК_а. Вне этого интервала буферная емкость быстро падает до 0. Интервал рН = рК_а 1 называется зоной буферного действия.

Общая буферная емкость артериальной крови достигает 25, 3 ммоль/ л; у венозной крови она несколько ниже и обычно не превышает 24, 3 ммоль/ л.

Кислотно-щелочное равновесие и главные буферные системы в организме человека

Организм человека располагает тонкими механизмами координации происходящих в не физиологических и биохимических процессов и поддержания постоянства внутренней среды (оптимальных значений рН и уровней содержания различных веществ в жидкостях организма, температуры, кровяного давления и т. д.). Эта координация названа, по предложению В. Кеннона (1929), гомеостазисом (от греч. "гомео" – подобный; "стазис" – постоянство, состояние). Она осуществляется путем гуморальной регуляции (от лат. "гумор" – жидкость), т. е. через кров, тканевую жидкость, лимфу и т. д. с помощью биологически активных веществ (ферментов, гормонов и др.) при участии нервных регулирующих механизмов. Гуморальные и нервные компоненты тесно взаимосвязаны между собой, образуя единый комплекс нейро-гуморальной регуляции. Примером гомеостазиса является стремление организма к сохранению постоянства температуры, энтропии, энергии Гиббса, содержания в крови и межтканевых жидкостях различных катионов, анионов, растворенных газов и др., величины осмотического давления и стремление поддерживать для каждой из его жидкостей определенную оптимальную концентрацию ионов водорода. 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.

Особенно большое значение буферных систем имеют в поддержании кислотно-основного равновесия организма. Внутриклеточные и внеклеточные жидкости всех живых организмов, как правило, характеризуются постоянным значением рН, которое поддерживается с помощью различных буферных систем. Значение рН большей части внутриклеточных жидкостей находится в интервале от 6,8 до 7,8.

Кислотно-основное равновесие в крови человека обеспечивается водородкарбонатной, фосфатной и белковой буферными системами.

Нормальное значение рН плазмы крови составляет 7,40 0,05. Этому соответствует интервал значений активной кислотности а (Н⁺) от 3,7 до 4,0 10^-8 моль/л. Так как в крови присутствуют различные электролиты - НСО₃^-, Н₂СО₃, НРО₄^2-, Н₂РО₄^-, белки, аминокислоты, это означает, что они диссоциируют в такой степени, чтобы активность а (Н⁺) находилась в указанном интервале.

Водородкарбонатная (гидро-, бикарбонатная) буферная система НСО₃^-/Н₂СО₃ плазмы крови характеризуется равновесием молекул слабой угольной кислоты Н₂СО₃ с образующимися при ее диссоциации гидрокарбонат-ионами НСО₃^-(сопряженное основание):

НСО₃^- + Н⁺ Н₂СО₃

НСО₃^- + Н₂О Н₂СО₃ + ОН^-

В организме угольная кислота возникает в результате гидратации диоксида углерода – продукта окисления углеводов, белков и жиров. Причем процесс этот ускоряется под действием фермента карбоангидразы:

СО₂(р) + Н₂О Н₂СО₃

Равновесная молярная концентрация в растворе свободного диоксида углерода при 298, 15 К в 400 раз выше, чем концентрация угольной кислоты Н₂СО₃/ СО₂ = 0, 00258.

Между СО₂ в альвеолах и водородкарбонатным буфером в плазме крови, протекающей через капилляры легких, устанавливается цепочка равновесий:

2

1 + Н₂О 3

Атмосфера СО₂(г) СО₂(р) Н₂СО₃ Н⁺ + НСО₃^-

воздушное пространство легких - Н₂О плазма крови

В соответствии с уравнение Гендерсона–Гассельбаха (4) рН водордкарбонатного буфера определяется отношением концентрации кислоты Н₂СО₃ и соли NaНСО₃.

Согласно цепочке равновесий содержание Н₂СО₃ определяется концентрацией растворенного СО₂, которая по пропорциональна парциальному давлению СО₂ в газовой фазе (по закону Генри): СО_2р = К_гр(СО₂). В конечно счете оказывается, что с (Н₂СО₃) пропорциональна р(СО₂).

Водородкарбонатная буферная система действует как эффективный физиологический буферный раствор вблизи рН 7,4.

При поступлении в кровь кислот – доноров Н⁺ равновесие 3 в цепочке по принципу Ле Шателе смещается влево в результате того, что ионы НСО₃^- связывают ионы Н⁺ в молекулы Н₂СО₃. При этом концентрация Н₂СО₃ повышается, а концентрация ионов НСО₃^- соответственно понижается. Повышение концентрации Н₂СО₃, в свою очередь, приводит к смещению равновесия 2 влево. Это вызывает распад Н₂СО₃ и увеличении концентрации СО₂, растворенного в плазме. В результате смещается равновесие 1 влево и повышается давление СО₂ в легких. Избыток СО₂ выводится из организма.

При поступлении в кровь оснований – акцепторов Н⁺ сдвиг равновесий в цепочке происходит в обратной последовательности.

В результате описанных процессов водородкарбонатная система крови быстро приходит в равновесие с СО₂ в альвеолах и эффективно обеспечивает поддержание постоянства рН плазы крови.

Вследствие того, что концентрация NaНСО₃ в крови значительно превышает концентрацию Н₂СО₃, буферная емкость этой системы будет значительно выше по кислоте. Иначе говоря, водокарбонатная буферная система особенно эффективно компенсирует действие веществ, увеличивающих кислотност крови. К числу таких веществ, прежде всего, относят молочную кислоту HLac, избыток которой образуется в результате интенсивной физической нагрузки. Этот избыток нейтрализуется в следующей цепочке реакций:

NaНСО₃ + HLac NaLac + Н₂СО₃ Н₂О + СО₂(р) СО₂(г)

Таким образом, эффективно поддерживается нормальное значение рН крови при слабо выраженном сдвиге рН, обусловленным ацидозом.

В замкнутых помещениях часто испытывают удушье – нехватку кислорода, учащение дыхания. Однако удушье связано не столько с недостатком кислорода, сколько с избытком СО₂. Избыток СО₂ в атмосфере приводит к дополнительному растворению СО₂ в крови (согласно закону Генри), а это приводит к понижению рН крови, т. е. к ацидозу (уменьшение резервной щелочности).

Водородкарбонатная буферная система наиболее "быстро" отзывается на изменение рН крови. Ее буферная емкость по кислоте составляет В_к = 40 ммоль/л плазмы крови, а буферная емкость по щелочи значительно меньше и равна примерно В_щ = 1 – 2 ммоль/л плазмы крови.

2. Фосфатная буферная система НРО₄^2-/Н₂РО₄^- состоит из слабой кислоты Н₂РО₄^- и сопряженного основания НРО₄^2-. В основе ее действия лежит кислотно-основное равновесие, равновесие между гидрофофсфат- и дигидрофосфат-ионами:

НРО₄^2- + Н⁺ Н₂РО₄^-

НРО₄^2- + Н₂О Н₂РО₄^- + ОН^-

Фосфатная буферная система способа сопротивляться изменению рН в интервале 6, 2 – 8, 2, т. е. обеспечивает значительную долю буферной емкости крови.

Из уравнения Гендерсона–Гассельбаха (4) для этой уферной системы следует, что в норме при рН 7, 4 отношение концентраций соли (НРО₄^2-) и кислоты (Н₂РО₄^-) примерно составляет 1. 6. Это следует из равенства:

Отсюда

Фосфорная буферная система имеет более высокую емкость по кислоте, чем по щелочи. Поэтому она эффективно нейтрализует кислые метаболиты, поступающие в кровь, например молочную кислоту HLac:

НРО₄^2- + HLac Н₂РО₄^- + Lac^-

Однако различия буферной емкости данной системы по кислоте и щелочи не столь велики, как у водородкарбонатной: В_к = 1 –2 ммоль/ л; В_щ = 0, 5 ммоль/ л. Поэтому фосфатная система в нейтрализации как кислых, так и основных продуктов метаболизма. В связи с малым содержанием фосфатов в плазе крови она менее мощная, чем вородкарбонатная буферная система.

3. Буферная система оксигемоглобин-гемоглобин, на долю которой приходится около 75% буферной емкости крови, характеризующаяся равновесием между ионами гемоглобина Hb^- и самим гемоглобином HНb, являющимся очень слабой кислотой (К_HНb = 6, 3 10^-9; рК_HНb = 8, 2).

Hb^- + Н⁺ HНb

Hb^- + Н₂О HНb + ОН^-

а также между ионами оксигемоглобина HbО₂^- и самим оксигемоглобином HНbО₂, который является несколько более сильной, чем гемоглобин, кислотой (К_HНbО2 = 1. 12 10^-7; рК_HНbО2 = 6, 95):

HbО₂^- + Н⁺ HНbО₂

HbО₂^- + Н₂О HНbО₂ + ОН^-

Гемоглобин HНb, присоединяя кислород, образует оксигемоглобин HНbО₂

HНb + О₂ HНbО₂

и, таким образом, первые два равновесия взаимосвязаны со следующими двумя.

4. Белковая буферная система состоит из "белка-основания" и "белка-соли".

СОО^- СОО^-

R – СН + Н⁺ R – СН

NН₂ N⁺Н₃

белок-основание белок-соль

Соответствующее кислотно-основное равновесие в средах, близких к нейтральным, смещено влево и "белок-основание" преобладает.