Буферные растворы
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.
При выделении в кровь относительно больших количеств кислых продуктов ионы Н+ взаимодействуют с НСО3-.
Последующее снижение концентрации получившегося СО2 достигается в результате его ускоренного выделения через легкие в результате их гипервентиляции.
Н+ + НСО3- = Н2СО3
Если же в крови увеличивается количество основных 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-оснoвную пару Н2РО4-/НРО42-.
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(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 буфер представляет собой систему из белковых (протеиновых) молекул, содержащих в своих аминокислотных остатках как кислотные СООН-группы, так и оснoвные 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- |
|
слабодиссоциированная белок-кислота |
соль, образованная сильным основанием |
||||
2) |
Pt-NH2 |
+ |
Pt-NH3Cl |
(Pt-NH2 / Pt-NH3+ |
|
слабодиссоциированное 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.
Оксигемоглобин 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.