Лекция 4 БУФЕРНЫЕ СИСТЕМЫ Буферные системы растворы

Лекция 4 БУФЕРНЫЕ СИСТЕМЫ

Буферные системы (растворы) • Буферными называют системы, р. Н которых практически на изменяется от добавления к ним небольших количеств сильной кислоты или щелочи, а также при разведении.

Кислотно-основные буферные системы и растворы • В водных буферных растворах основными компонентами являются донор и акцептор протонов, представляющие собой сопряженную кислотно-основную пару. В + Н+ ↔ ВН+ основание сопряженная кислота НА ↔ Н+ + А кислота сопряженное основание Сопряженные кислотно-основные пары В/ВН+ и А–/НА называют буферными системами.

Классификация кислотно-основных буферных систем I. Слабая кислота и ее анион А- /НА: • ацетатная буферная система СН 3 СОО/СН 3 СООН в растворе СН 3 СООNa и СН 3 СООН, область действия р. Н 3, 8 - 5, 8. • Водород-карбонатная система НСО 3/Н 2 СО 3 в растворе Na. НСО 3 и Н 2 СО 3, область её действия - р. Н 5, 4 - 7, 4.

II. Слабое основание и его катион В/ВН+: • аммиачная буферная система NH 3/NH 4+ в растворе NH 3 и NH 4 Cl, область ее действия - р. Н 8, 2 - 10, 2. III. Анионы кислой и средней соли или двух кислых солей: • карбонатная буферная система СО 32 - /НСО 3 в растворе Na 2 CO 3 и Na. HCO 3, область ее действия р. Н 9, 3 - 11, 3. • фосфатная буферная система НРО 42 -/Н 2 РО 4 в растворе Nа 2 НРО 4 и Nа. Н 2 РО 4, область ее действия р. Н 6, 2 - 8, 2. Эти солевые буферные системы можно отнести к 1 -му типу, т. к. одна из солей этих буферных систем выполняет функцию слабой кислоты. Так, в фосфатной буферной системе анион Н 2 РО 4 является слабой кислотой.

IV. Ионы и молекулы амфолитов. К ним относят аминокислотные и белковые буферные системы. Если аминокислоты или белки находятся в изоэлектрическом состоянии (суммарный заряд молекулы равен нулю), то растворы этих соединений не являются буферными. Они начинают проявлять буферное действие, когда к ним добавляют некоторое количество кислоты или щелочи. Тогда часть белка (аминокислоты) переходит из ИЭС в форму “белок-кислота” или соответственно в форму “белок-основание”.

При этом образуется смесь двух форм белка: (R - макромолекулярный остаток белка) а) слабая “белок-кислота” + соль этой слабой кислоты: СОО- СООН R - СН + Н+ → R - СН Н 3 N+ Н 3 N+ основание А- сопряженная кислота НА (соль белка-киcлоты) (белок-кислота)

б) слабое “белок-основание” + соль этого слабого основания: СОО- СОО R - СН + ОН- → R - СН + Н 2 О Н 3 N+ NН 2 кислота ВН+ сопряженное основание В (соль белка-основания) (белок-основание) Таким образом, и этот тип буферных систем может быть отнесен соответственно к буферным системам 1 -го и 2 -го типов.

Механизм буферного действия Ацетатная буферная система СН 3 СОО/СН 3 СООН, в основе ее действия лежит кислотно-основное равновесие: СН 3 СООН ↔ СН 3 СОО- + Н+ Главный источник ацетат-ионов – сильный электролит СН 3 СООNa: СН 3 СООNa ↔ СН 3 СОО- + Na+ При добавлении сильной кислоты сопряженное основание СН 3 СОО- связывает Н+, превращаясь в слабую уксусную кислоту: СН 3 СОО- + Н+ ↔ СН 3 СООН (кислотно-основное равновесие смещается вправо, по Ле Шателье)

Уменьшение концентрации анионов СН 3 СОО- точно уравновешивается повышение концентрации молекул СН 3 СООН. В результате происходит небольшое изменение в соотношении концентраций слабой кислоты и ее соли, а следовательно, и незначительно изменяется р. Н.

При добавлении щелочи протоны уксусной кислоты высвобождаются и нейтрализуются добавочные ионы ОН-, связывая их в молекулы воды: СН 3 СООН + ОН- ↔ СН 3 СОО- + Н 2 О (кислотно-основное равновесие смещается вправо, по Ле Шателье) В этом случае также происходит небольшое изменение в соотношении концентраций слабой кислоты и ее соли, а следовательно, и незначительное изменение р. Н. Уменьшение концентрации слабой кислоты СН 3 СООН точно уравновешивается повышение концентрации анионов СН 3 СОО-.

Таким образом, буферное действие раствора обусловлено смещением кислотно-основного равновесия за счет связывания добавляемых в раствор ионов Н+ и ОН- в результате реакции этих ионов и компонентов буферной системы с образованием малодиссоциированных продуктов.

• В основе расчета р. Н буферных систем лежит закон действующих масс для кислотноосновного равновесия. • Для буферной системы 1 -го типа: СН 3 СООН СН 3 СОО- + Н+; (р. Ка = 4, 8) Н+ СН 3 СОО- Ка= ---------- СН 3 СООН с (кислота) Н+ = Ка -------- = Ка ----- СН 3 СОО- с (соль) где с (кислота) и с (соль) - равновесные концентрации кислоты и соли.

Отсюда получают уравнение Гендерсона– Гассельбаха для буферных систем 1 -го типа: с (соль) р. Н = р. Ка + lg ----с (кислота) сопряженное основание р. Н = р. Ка + lg --------------- кислота

Для буферной системы 2 -го типа NH 4+ NH 3 + Н+; р. Ка = 9, 2; NH 3 Н+ Кa = ------- NH 4+ Отсюда получают уравнение Гендерсона– Гассельбаха для буферных систем 2 -го типа: с (основание) р. Н = р. Кa + lg -----с (соль) р. Н = 14 - р. Кв – lg -----с (основание)

Буферная емкость В • Способность буферного раствора сохранять р. Н по мере прибавления сильной кислоты или приблизительно на постоянном уровне далеко небеспредельна и ограничена величиной так называемой буферной емкости В. • Величина, характеризующая способность буферного раствора противодействовать смещению реакции среды при добавлении сильных кислот или сильных оснований.

• За единицу буферной емкости обычно принимают емкость такого буферного раствора, для изменения р. Н которого на единицу требуется введение сильной кислоты или щелочи в количестве 1 моль эквивалента на 1 л раствора.

Буферная емкость, как следует из ее определения, зависит от ряда факторов: 1. Чем больше количества компонентов кислотно-основной пары основание/ сопряженная кислота в растворе, тем выше буферная емкость этого раствора (следствие закона эквивалентов). 2. Буферная емкость зависит от соотношения концентраций компонентов буферного раствора, а следовательно, и от р. Н буферного раствора.

Кислотно-щелочное равновесие и главные буферные системы в организме человека • Организм человека располагает тонкими механизмами координации происходящих вне физиологических и биохимических процессов и поддержания постоянства внутренней среды. Эта координация названа, по предложению В. Кеннона, гомеостазом (от греч. "гомео" – подобный; "стазис" – постоянство, состояние).

• Сохранение постоянства р. Н 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 р. Н; • в-третьих, даже небольшие изменения концентрации ионов водорода в крови и межтканевых жидкостях ощутимо влияют на величину осмотического давления в этих жидкостях.

Буферные системы крови • водороднокарбонатная буферная система; • фосфатная буферная система; • белковая буферная система; • гемоглобиновая буферная система.

Относительный вклад % буферных систем крови в поддержание в ней протолитического гомеостаза Буферные системы плазмы крови Гидрокарбонатная 35% Белковая 7% Гидрофосфатная 1% ВСЕГО 43% Буферные системы эритроцитов Гемоглобиновая 35 % Гидрокарбонатная 18 % Гидрофосфатная 4 %

Буферная система оксигемоглобин-гемоглобин ¡ Самая мощная буферная система крови (в 9 раз мощнее бикарбонатной), на долю которой приходится 75 % всей буферной ёмкости крови. Характеризуется равновесием между ионами гемоглобина Hb - и самим гемоглобином HНb, являющимся очень слабой кислотой (КHНb=6, 3 10 -9; р. КHНb= 8, 2). Hb- + Н+ HНb Hb- + Н 2 О HНb + ОН-

А также между ионами оксигемоглобина Hb. О 2 - и самим оксигемоглобином HНb. О 2, который является несколько более сильной, чем гемоглобин, кислотой (КHНb. О 2 = 1, 12 10 -7; р. КHНb. О 2 = 6, 95): Hb. О 2 - + Н+ HНb. О 2 Hb. О 2 - + Н 2 О HНb. О 2 + ОН Гемоглобин HНb, присоединяя кислород, образует оксигемоглобин HНb. О 2 HНb + О 2 HНb. О 2 и, таким образом, первые два равновесия взаимосвязаны со следующими двумя.

n гемоглобиновый буфер: где HHb — дезоксигемоглобин; HHb. O 2 — оксигемоглобин; KHb — калиевая соль дезоксигемоглобина; KHb. O 2 — калиевая соль оксигемоглобина

Водородкарбонатная (гидро-, бикарбонатная) буферная система НСО 3 -/Н 2 СО 3 плазмы крови Мощнейшая и, вместе с тем, самая управляемая система внеклеточной жидкости и крови, на долю которой приходится около 10 % всей буферной ёмкости крови. Характеризуется равновесием молекул слабой угольной кислоты Н 2 СО 3 с образующимися при ее диссоциации гидрокарбонат-ионами НСО 3(сопряженное основание): НСО 3 - + Н+ Н 2 СО 3 НСО 3 - + Н 2 О Н 2 СО 3 + 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: СО 2(р) + Н 2 О Н 2 СО 3

Между СО 2 в альвеолах и водородкарбонатным буфером в плазме крови, протекающей через капилляры легких, устанавливается цепочка равновесий: 2 1 + Н 2 О 3 Атмосфера СО 2(г) СО 2(р) Н 2 СО 3 Н+ + НСО 3 воздушное пространство легких - Н 2 О плазма крови Для бикарбонатного буфера р. К/=6, 1(для крови)

Фосфатная буферная система НРО 42/Н 2 РО 4 - состоит из слабой кислоты Н 2 РО 4 - и сопряженного основания НРО 2. В 4 основе ее действия лежит кислотноосновное равновесие, равновесие между гидрофофсфат- и дигидрофосфатионами: НРО 42 - + Н+ Н 2 РО 4 НРО 42 - + Н 2 О Н 2 РО 4 - + ОНФосфатная буферная система способа сопротивляться изменению р. Н в интервале 6, 2 – 8, 2, т. е. обеспечивает значительную долю буферной емкости крови.

с (НРО 42 -) р. Н = р. Ка (Н 2 РО 4 -) + lg -------, с (Н 2 РО 4 -) где р. Ка (Н 2 РО 4 -) – отрицательный десятичный логарифм константы диссоциации фосфорной кислоты по второй ступени р. Ка (Н 2 РО 4 - - слабая кислота); с (НРО 42 -) и с (Н 2 РО 4 -) - соответственно концентрации соли и кислоты.

Фосфатный буфер имеет наибольшее значение не в крови (составляет не более 1% общей буферной емкости), а выполняет значительную роль в поддержании физиологических значений р. Н во внутриклеточных жидкостях и моче.

• 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: НРО 42 - + HLac Н 2 РО 4 - + Lac-

1. Главное назначение гидрокарбонатного буфера заключается в нейтрализации кислот. 2. Он является системой быстрого и эффективного реагирования, т. к. углекислый газ - быстро выводится через легкие. Нарушение кислотно-основного равновесия в организме прежде всего компенсируется с помощью гидрокарбонатной буферной системы (за 10— 15 мин). 3. При этом изменяется отношение [НСОз-]/ [Н 2 СОз]. Затем, за счет изменения объема легочной вентиляции, восстанавливается в течение 10— 18 ч отношение [НСО 3 -]/[Н 2 СОз], соответствующее норме.

Кислотно-основное состояние организма и его нарушения • Ацидоз - это уменьшение кислотной буферной емкости физиологической системы по сравнению с нормой. • Алкалоз - это увеличение кислотной буферной емкости физиологической системы по сравнению с нормой

• Экзогенный ацидоз возникает при употреблении пищи с избыточным содержанием кислот (лимонной, бензойной, уксусной), а также лекарственных средств, трансформация кото рых в организме способствует понижению р. Н среды. • Эндогенный ацидоз или алкалоз возникает при нарушении протолитического баланса в организме вследствие нарушения соотношений скоростей синтеза и выведения тех или иных кислот или оснований»

• В зависимости от глубины патологических изменений • компенсированный и некомпенсированный ацидоз (алкалоз). • При компенсированном ацидозе (алкалозе), несмотря на отклонения от нормы кислотной буферной емкости, р. Н крови сохраняет значение в пределах 7, 35 < р. Н < 7, 45. • Некомпенсированный ацидоз сопровождается уменьшением кислотной буферной емкости и снижением р. Н крови (6, 8 < р. Н < 7, 35), а некомпенсированный алкалоз - увеличением кислотной буферной емкости и повышением р. Н крови (7, 45 < р. Н < 7, 9). • Снижение р. Н крови по сравнению с нормой называется ацидемией, а повышение р. Н крови — алкалемией. Изменение значения р. Н крови на 0, 6 единицы в любую сторону приводит к летальному исходу.

• Метаболический ацидоз характеризуется избытком нелетучей кислоты или дефицитом гидрокарбонатаниона в межклеточной жидкости. • Показатели: Ва < норма; [донор протона] > норма; р. Н < норма; c(HCO 3) < норма; BE < норма; р(СО 2) < норма. • Причины: нарушение кровообращения, кислородное голодание тканей, диарея (понос), нарушение выделительной функции почек, диабет. • Метаболический алкалоз характеризуется удалением молекул кислот или накоплением буферных оснований, включая содержание гидрокарбонатаниона в межклеточной жидкости. • Показатели: Ва > норма; [акцептор протона] > норма; р. Н > норма; с(НСОз) > норма; BE > норма; р(СО 2) > норма. • Причины: неукротимая рвота, удаление кислых продуктов из желудка, запор (накопление щелочных продуктов в кишечнике), длительный прием щелочной пищи и минеральной воды.

• Респираторный (газовый) ацидоз характеризуется пониженной скоростью вентиляции легких по сравнению со скоростью образования метаболического СО 2 • Показатели: Ва < норма; [донор протона] > норма; р. Н < норма; с(НСОз) > норма; BE > норма; р(СО 2) > норма. • Причины: заболевания органов дыхания, гиповентиляция легких, угнетение дыхательного центра некоторыми препаратами, например барбитуратами. • Респираторный (газовый) алкалоз характеризуется повышенной скоростью вентиляции легких по сравнению со скоростью образования метаболического СО 2. • Показатели: Ва > норма; [донор протона] < норма; р. Н > норма; с(НСОз) < норма; BE < норма; р(СО 2) < норма. • Причины: вдыхание разреженного воздуха, чрезмерное возбуждение дыхательного центра вследствие поражения мозга, гипервентиляция легких, развитие тепловой одышки.

n n Для устранения алкалоза 5 % раствор аскорбиновой кислоты, частично нейтрализованный гидрокарбонатом натрия до р. Н = 6, 0 -7, 0. Вдыхание смеси с повышенным содержанием углекислого газа, приём через рот капельно раствора хлорида аммония. После еды при метаболическом алкалозе можно назначать внутрь 1% раствор HCl [всего 0, 5 г].