Химия клетки. Буферные системы. Ацидоз. Алкалоз.
Значение pH в клетке примерно равняется 7.
Изменение pH в ту или иную сторону губительно действует на клетку, поскольку сразу же изменяются биохимические процессы, проходящие в клетке.
Постоянство pH клетки поддерживается благодаря буферным свойствам.
Буфер- это вещество,которое сводит к минимуму изменения H+ и OH- в растворе.
Буферным называют раствор, который поддерживает постоянное значение pH среды. Обычно буферная система состоит из сильного и слабого электролита: соли и слабого основания или слабой кислоты, которые её образуют .
Действие буферного раствора заключается в том, что он противостоит изменениям pH среды. Изменение pH среды может возникнуть вследствие концентрирования раствора или разбавления его водой, кислотой или щелочью.
Когда кислотность, то есть концентрация ионов водорода возрастает, свободные анионы, источником которых служит соль, взаимодействуют с протонами и удаляют их из раствора. Когда кислотность снижается, то усиливается тенденция к освобождению протонов.
Таким образом поддерживается pH на определенном уровне, то есть поддерживается концентрация протонов на определенном постоянном уровне.
Для поддержания стабильного уровня pH в крови и других биологических жидкостях функционируют различные буферные системы.
Бикарбонатная буферная система.
H2CO3 (угольная кислота)-слабый электролит, поэтому в растворе лишь часть ее молекул диссоциирована и наблюдается равновесие.
Изменение pH в ту или иную сторону губительно действует на клетку, поскольку сразу же изменяются биохимические процессы, проходящие в клетке.
Постоянство pH клетки поддерживается благодаря буферным свойствам.
Буфер- это вещество,которое сводит к минимуму изменения H+ и OH- в растворе.
Буферным называют раствор, который поддерживает постоянное значение pH среды. Обычно буферная система состоит из сильного и слабого электролита: соли и слабого основания или слабой кислоты, которые её образуют .
Действие буферного раствора заключается в том, что он противостоит изменениям pH среды. Изменение pH среды может возникнуть вследствие концентрирования раствора или разбавления его водой, кислотой или щелочью.
Когда кислотность, то есть концентрация ионов водорода возрастает, свободные анионы, источником которых служит соль, взаимодействуют с протонами и удаляют их из раствора. Когда кислотность снижается, то усиливается тенденция к освобождению протонов.
Таким образом поддерживается pH на определенном уровне, то есть поддерживается концентрация протонов на определенном постоянном уровне.
Для поддержания стабильного уровня pH в крови и других биологических жидкостях функционируют различные буферные системы.
Бикарбонатная буферная система.
H2CO3 (угольная кислота)-слабый электролит, поэтому в растворе лишь часть ее молекул диссоциирована и наблюдается равновесие.
- Если по какой-либо причине концентрация ионов Н+ в растворе увеличивается(среда становится более кислой), анионы HCO3- связывают их.
- Если кислотность среды снижается, молекулы угольной кислоты диссоциируют, высвобождая дополнительные ионы Н+.
- Высокая буферная ёмкость. На долю бикарбонатного буфера приходится около 50–65% всей буферной ёмкости плазмы крови — это самая мощная буферная система внеклеточной среды.
- Связь с лёгкими. Концентрация угольной кислоты напрямую зависит от уровня CO2, который регулируется вентиляцией лёгких. Если кислот становится много и образуется избыток CO2, дыхательный центр усиливает дыхание — так CO2 быстрее выводится, и pH возвращается к норме. Это даёт быструю (в пределах минут) компенсацию.
- Связь с почками. Почки регулируют концентрацию HCO3− они реабсорбируют бикарбонат из первичной мочи и могут синтезировать новый за счёт секреции H+. Это обеспечивает долговременную (часы и дни) регуляцию.
- Оптимальное соотношение компонентов.
- Благодаря этой системе pH крови удерживается в узком диапазоне 7,35––7,45. Даже небольшие отклонения от этих значений могут нарушать работу ферментов, транспорт ионов, связывание кислорода гемоглобином и другие жизненно важные процессы.
- Физическая нагрузка: рост молочной кислоты компенсируется бикарбонатным буфером и усилением вентиляции.
- Нарушения дыхания: при гиповентиляции накапливается CO2, и почки постепенно увеличивают реабсорбцию HCO3−, чтобы сохранить pH.
- Метаболические сдвиги: при диарее теряетсяHCO3−, и система временно теряет мощность; организм компенсирует это изменением дыхания и почечной регуляцией.
В крови емкость фосфатной буферной системы невелика (составляет около 2% общей буферной емкости), в связи с низким содержанием фосфатов в крови.
Функция:
- поддержание физиологических значений pH во внутриклеточных жидкостях (тканевых) и моче, поддерживает баланс в просвете канальцев почек, пищеварительных соков.
- Состоит из: NaH2PO4- слабая кислота.
- ПРи введении в раствор прочного основания (например, NaOH), дигидрофосфат натрия отдает H+, образуя воду и Na2HPO4.
- Гидрофосфат натрия нейтрализует сильные кислоты, реагируя с ионами H+, выделяемыми кислотой, образуя дигидрофосфат натрия. Эти реакции связывают избыток H+, предотвращая значительное падения pH.
- Фосфатная буферная система входит в буферную систему крови, и тесно связана с бикарбонатной буферной системой.
Избытки продуктов обеих реакций удаляются почками.
Белковая буферная система.
Работает в основном внутри клеток.
Белки образуют буферную систему благодаря наличию кислотно- основных групп в молекуле белков и амфотерности.
а). слабая "белок-кислота"+ соль этой слабой кислоты.
б).слабое "белок-основание"+ соль этого слабого основания.
Значение:
а). нейтрализация кислых и основных продуктов.
б). быстрое реагирование- в случае необходимости белки могут немедленно вступить во взаимодействие с избытком кислот или оснований и предотвратить существенные изменения pH.
Белковая буферная система.
Работает в основном внутри клеток.
Белки образуют буферную систему благодаря наличию кислотно- основных групп в молекуле белков и амфотерности.
- В кислой среде подавляется диссоциация COO-групп аминокислотных радикалов (в аспаргиновой и глутаминовой кислотах), а группы NH2 ( в аргинине и лизине) связывают избыток H+. При этом белок заряжается положительно.
- В щелочной среде усиливается диссоциация СООН -групп. Поступающие в плазму ионы H+ связывают избыток OH- ионов, и pH сохраняется.Белки в данном случае выступают как кислоты и заряжаются отрицательно.
а). слабая "белок-кислота"+ соль этой слабой кислоты.
б).слабое "белок-основание"+ соль этого слабого основания.
Значение:
а). нейтрализация кислых и основных продуктов.
б). быстрое реагирование- в случае необходимости белки могут немедленно вступить во взаимодействие с избытком кислот или оснований и предотвратить существенные изменения pH.
Гемоглобиновая буферная система.
Буферная система крови. Играют важную роль в процессе дыхания (транспортная функция по переносу кислорода к тканям и органам и удалению из них углекислого газа), так и в поддержании постоянства pH внутри эритроцитов, а в результате и в крови в целом.
Включает в себя восстановительный гемоглобин (HHb) - гемоглобин, который отдал кислород тканям, находится в венозной крови и калиевую соль восстановленного гемоглобина.
Механизм:
калиевая соль гемоглобина является солью слабой кислоты и может обменивать ион калия K+ на ион Н+, при этом образуется малодиссоциирующая кислота. Работает в плазме крови.
Буферная система крови. Играют важную роль в процессе дыхания (транспортная функция по переносу кислорода к тканям и органам и удалению из них углекислого газа), так и в поддержании постоянства pH внутри эритроцитов, а в результате и в крови в целом.
Включает в себя восстановительный гемоглобин (HHb) - гемоглобин, который отдал кислород тканям, находится в венозной крови и калиевую соль восстановленного гемоглобина.
Механизм:
калиевая соль гемоглобина является солью слабой кислоты и может обменивать ион калия K+ на ион Н+, при этом образуется малодиссоциирующая кислота. Работает в плазме крови.
Разделяют две формы сдвига кислотно-основного состояния:
а). Ацидоз.
Развивается в результате увеличения концентрации ионов H+ выше нормы или уменьшения концентрации ионов HCO3- ниже нормы. Снижение pH артериальной крови ниже 7.35. Закисление.
Респираторный ацидоз - развивается, когда в организме накапливается углекислый газ, например,
-человек задерживает дыхание.
-при уменьшении выделения углекислого газа через легкие из-за болезни легких, дыхательных мышц и снижение активности дыхательного центра в головном мозге;
а). Ацидоз.
Развивается в результате увеличения концентрации ионов H+ выше нормы или уменьшения концентрации ионов HCO3- ниже нормы. Снижение pH артериальной крови ниже 7.35. Закисление.
Респираторный ацидоз - развивается, когда в организме накапливается углекислый газ, например,
-человек задерживает дыхание.
-при уменьшении выделения углекислого газа через легкие из-за болезни легких, дыхательных мышц и снижение активности дыхательного центра в головном мозге;
- повышенная концентрация углекислого газа во вдыхаемом воздухе.
б). Алкалоз.
Происходит вследствие уменьшая концентрации ионов водорода в жидкостях организма или избытка ионов HCO3-.
Увеличение pH артериальной крови более 7.45. Защелачивание.
Респираторный (газовый алкалоз).
Наступает в случае:
Наступает в результате избыточной потери кислот, в основном в составе соляной кислоты.
-потеря калия из межклеточной жидкости.
-поступление в организм щелочных металлов.
Происходит вследствие уменьшая концентрации ионов водорода в жидкостях организма или избытка ионов HCO3-.
Увеличение pH артериальной крови более 7.45. Защелачивание.
Респираторный (газовый алкалоз).
Наступает в случае:
- гипервентиляции (интенсивное дыхание, которое превышает потребности организма в кислороде вследствие прямой стимуляции дыхательного центра, например, при поражении мозга).
- гипервентиляция вследствие рефлекторной стимуляции дыхательного центра, например, при горной болезни.
- гипервентиляция вследствие использования ИВЛ.
- Возникает в результате избыточного образования или поступления в организм органических или неорганических кислот.
- -при нарушении обмена веществ (сахарный диабет, голодание), когда в тканях образуется избыток продуктов неполного окисления, которые являются преимущественно кислотами (молочная кислота).
- интенсивная физическая работа.
- -гипоксия любого происхождения.
- тяжелые поражения печени препятствуют нейтрализации кислот.
Наступает в результате избыточной потери кислот, в основном в составе соляной кислоты.
-потеря калия из межклеточной жидкости.
-поступление в организм щелочных металлов.
