ЗАНЯТИЕ 5 Буферные растворы. Определение буферных систем и их классификация

• Название: Определение буферных систем и их классификация
• Анкор: ЗАНЯТИЕ 5 Буферные растворы.doc
• Дата: 23.10.2017
• Размер: 228.5 Kb.
• Имя файла: ЗАНЯТИЕ 5 Буферные растворы.doc
• Тип: Документы; #9728
• страница: 5 из 5

Буферные системы человеческого организма

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 (H₂CO₃, H₂SO₄), 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 СО₂ ежесуточно 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 H₂SO₄.

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 СО₂ примерно 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 СО₂ достигается 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 СО₂ за счет гиповентиляции легких.

Фосфатная буферная система представляет собой сопряженную кислотно-оснóвную пару Н₂РО₄^–/НРО₄^2–.

Роль кислоты выполняет дигидрофосфат натрия NaH₂PO₄, а роль ее соли – гидрофосфат натрия Na₂HPO₄. Фосфатная буферная система составляет всего лишь 1% буферной емкости крови. Отношение С(Н₂РО₄^–)/С(НРО₄^2–) 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 буфер представляет собой систему из белковых (протеиновых) молекул, содержащих в своих аминокислотных остатках как кислотные СООН-группы, так и оснóвные NH₂-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-NH2	+	Pt-NH3Cl	(Pt-NH2 / Pt-NH3+
	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-NH₂):
Pt-COO^– + H⁺ → Pt-COOH

Pt-NH₂ + H⁺ → Pt-NH₃⁺

Нейтрализацию основных продуктов обмена веществ осуществляют за счет взаимодействия с ионами ОН^– как белок - кислота (Pt-СООН), так и белок–соль (Pt-NH₃⁺)

Pt-COOН + OH^– → Pt-COO^– + Н₂О

Pt-NH₃⁺ + OH^– → Pt-NH₂ + 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 СО₂ и другие кислые продукты обмена веществ реагируют с калиевой солью гемоглобина.
KHв + CO₂ → KНСО₃ + H Hв
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 СО₂ и Н₂О. Образовавшийся избыточный СО₂ через 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.

Нарушения кислотно-оснóвнного равновесия крови. Ацидоз. Алкалоз

Когда компенсаторные механизмы организма не способны предотвратить сдвиги концентрации водородных ионов, наступает нарушение кислотно-оснóвного равновесия. При этом наблюдаются два противоположных состояния – ацидоз и алкалоз.

При ацидозе концентрация водородных ионов в крови становится выше границ нормы. При этом, естественно рН уменьшается. Снижение величины рН ниже 6,8 вызывает смерть.

Состояние алкалоза наблюдается при уменьшении концентрации ионов Н⁺ (рН, соответственно, возрастает) по сравнению с нормой. Увеличение значений рН до 8,0 приводит к быстрому летальному исходу.

В зависимости от механизмов развития нарушений кислотно-основного равновесия разделяют дыхательный и метаболический ацидоз или алкалоз.

Дыхательный ацидоз возникает в результате уменьшения минутного объема дыхания (например, при бронхиальной астме, отеке, эмфиземе легких, асфиксии механического порядка и т.д.). Все эти заболевания ведут к гиповентиляции и к повышению парциального давления СО₂ артериальной крови и содержания в плазме НСО₃^– ионов.

Дыхательный алкалоз, наоборот, возникает при вдыхании чистого кислорода, компенсаторной одышке, сопровождающей ряд заболеваний, пребывании в разряженной атмосфере.

При дыхательном алкалозе в крови уменьшается концентрация растворенного СО₂ и гидрокарбонат-ионов (щелочной резерв крови).

Метаболический ацидоз – самая частая и тяжелая форма нарушений кислотно-основного равновесия. Он обусловлен накоплением в тканях и крови органических кислот. Этот вид ацидоза связан с нарушением обмена веществ и возможен при диабете, голодании, лихорадке, заболеваниях желудочно-кишечного тракта и т.д.

Метаболический алкалоз развивается при потере в результате неукротимой рвоты большого количества кислотных эквивалентов) и всасывании в кровь большого числа основных эквивалентов кишечного сока, а также при накоплении в тканях основных продуктов обмена веществ.
Систематический анализ смеси катионов

I-III аналитических групп
В медицине большое значение имеет качественное обнаружение катионов I-III аналитических групп, которые входят в состав тканей живых организмов и обуславливают их нормальную физиологическую деятельность.

Определение в плазме крови ионов Na⁺ и K⁺ имеет большое значение, поскольку нормальный ритм сердца во многом зависит от соотношения их концентраций.

Биологические жидкости и ткани содержат много электролитов, т.е. веществ, способных в водной среде диссоциировать на ионы: NaCl, KCl, HCl, CaCl₂, NaH₂PO₄, NaHCO₃ и др. Электролиты выполняют многие жизненно важные функции в организме человека: создают постоянное осмотическое давление биологических жидкостей и обуславливают активный транспорт воды; влияют на растворимость белков, аминокислот и других биологически активных соединений, играют определяющую роль в поддержании кислотно-щелочного гомеостаза организма. Нарушение обмена электролитов ведет к патологии и может вызвать гибель организма.

Кальций является одним из наиболее распространенных элементов в организме человека (1,5%). Основная масса имеющегося в организме кальция находится в костях и зубах.

Фракция внекостного кальция хотя и составляет всего 1% от общего содержания в организме, очень важна из-за ее воздействия на свертываемость крови, нервно-мышечную возбудимость и сердечную мышцу. При недостатке или избытке кальция в организме человека возникают серьезные заболевания. Определение кальция в биологических жидкостях – важный диагностический тест.

Стронций относится к микроэлементам; его содержание в организме человека составляет 4,1·10‾⁴%. Подобно кальцию, стронций накапливается преимущественно в костной ткани и влияет на процесс костеобразования. Избыток его вызывает ломкость костей, "стронциевый рахит". Причиной заболевания является замена кальция стронцием. Извлечь стронций из костей практически невозможно. Повышение радиоактивного фона вследствие аварии на ЧАЭС явилось причиной загрязнения биосферы продуктом деления тяжелых элементов Sr-90. Оседая в костях, последний облучает костный мозг и нарушает костномозговое кроветворение.

Барий относится к примесным микроэлементам. Общее содержание его в организме составляет 1·10‾⁵%. Концентрируется барий преимущественно в сетчатке глаза. Биологическая роль его до конца не выяснена. Так как при лейкозах содержание бария в эритроцитах и плазме крови увеличивается, количественное определение бария может служить диагностическим тестом на заболевание лейкозом. Следует отметить, что ионы бария являются высокотоксичными для организма.

Роль методов химического анализа в диагностике, клинике и профилактике заболеваний непрерывно возрастает.