Уравнение буферного действия

Содержание
  1. Буферный раствор
  2. Общее описание
  3. Механизм действия буферных систем
  4. Буферная емкость и область буферирования
  5. PH буферного раствора
  6. Изменение pH буферного раствора при добавлении сильных кислот или оснований
  7. Практическое значение pH буферов
  8. Буферные системы крови человека
  9. PH буфера в биологических лабораториях
  10. Другие типы буферных систем
  11. Буферный раствор постоянной ионной силы
  12. Буферная система: классификация, пример и механизм действия
  13. Описание
  14. Виды буферов крови
  15. Особенности бикарбонатного буфера
  16. Особенности фосфатного буфера
  17. Особенности белкового буфера
  18. Особенности эритроцитов
  19. Пример буферной системы
  20. Эффективность буферов
  21. Взаимодействие буферов в организме
  22. Обменные процессы в тканях
  23. Бикарбонатная буферная система
  24. Механизм действия
  25. Вычисление pH буферной системы
  26. Бикарбонатная буферная система в культуральных средах
  27. Быстрая компенсация сдвигов рН
  28. Фосфатная буферная система
  29. Удаление ионов H+ фосфатным буфером
  30. Бикарбонатная буферная система
  31. Белковая буферная система
  32. Гемоглобиновая буферная система

Буферный раствор

Уравнение буферного действия

Буферный раствор (рус. Буферные раствор, англ. Buffer solution, нем. Pufferlösung f) — водный раствор, содержащий соединения, которые противостоят значительном изменении pH при добавлении небольшого количества кислоты или основания.

Общее описание

Иногда понятие «буферный раствор» используется в более широком смысле: для растворов, имеющих любой постоянный параметр (окислительно-восстановительный потенциал, активность ионов кальция и т.д.

), почти не меняется при незначительном изменении состава системы, например при концентрирования, разбавления, добавлении небольших количеств посторонних соединений.

Стабильность достигается благодаря тому, что компоненты буферной системы находятся в состоянии химического равновесия.

Буферы широко используются в химических, биологических и медицинских лабораториях для поддержания устойчивого pH среды, в которой происходят химические реакции.

[attention type=yellow]

Они также входят в состав большого количества промышленных товаров, таких как некоторые медицинские препараты (например забуференный аспирин), средства для ухода за кожей и волосами и тому подобное.

[/attention]

Буферные растворы необходимы для обеспечения гомеостаза живых организмов, например pH крови человека поддерживается на постоянном уровне, оптимальном для транспорта кислорода (около 7,4), благодаря нескольким буферным системам.

Для обеспечения устойчивого pH буфер должен содержать два соединения: одну, которая бы препятствовала уменьшению концентрации ионов H 3 O — (или упрощенно — H +), а другая — которая препятствовала ее увеличению, при этом они не должны нейтрализовать друг друга.

По используется пара слабая кислота (донор протонов) / ее сопряженная основа (акцептор протонов) в примерно одинаковых концентрациях, и значительно реже — слабое основание / сопряженная с ней кислота.

Буферные растворы часто делают на основе пар уксусная кислота / ацетат, дигидрогенфосфат / моногидрогенфосфат, угольная кислота / гидрокарбонат и др.

Механизм действия буферных систем

Пусть буферная система содержит примерно равные концентрации слабой кислоты (AH) и сопряженной с ней основания (A -), при добавлении к ней сильной кислоты, является донором ионов H +, последние связываться с основанием A -:

H 3 O + + A — → H 2 O + AH.

С другой стороны, при добавлении небольшого количества щелочи, поставляет ионы OH — в раствор, с ними взаимодействовать слабая кислота

OH — + AH → H 2 O + A -.

Эти две оборотные реакции и обеспечивают буферные свойства раствора: добавление к раствору ионов H + или OH — влечет изменение соотношения слабой кислоты и сопряженной основе и совсем незначительное смещение pH.

[attention type=red]

Достаточно распространенное заблуждение о том, что буферные растворы способны поддерживать pH на абсолютно постоянном уровне.

[/attention]

На самом деле это не так, добавление даже небольшого количества кислоты или щелочи к такому раствора приводит к изменению водородного показателя, но очень незначительной.

Например, если добавить к 1 л чистой воды 0,01 моль соляной кислоты, то ее pH изменится от 7,0 до 2,0, то есть на 5 единиц, с другой стороны, при добавлении такого же количества кислоты в 1 л буферного раствора, его pH может измениться всего на 0,1.

Буферная емкость и область буферирования

Способность любого буферного раствора поддерживать примерно постоянный уровень pH ограничен.

При добавлении достаточного количества кислоты или основания в буфер, его pH конце начнет стремительно падать или расти соответственно.

Количество ионов H 3 O + или OH -, которую следует добавить к буферного раствора, чтобы изменить его водородный показатель на единицу называется буферной емкостью.

Буферная емкость зависит от концентрации компонентов раствора и их соотношение. Чем больше концентрация слабой кислоты и сопряженной основы, тем больше будет буферная емкость раствора.

Стандартно используются молярные концентрации по крайней мере в 100 раз выше константу кислотной диссоциации (K a) слабой кислоты, и по крайней мере в 10 раз выше концентрацию ионов H 3 O + или OH -, которую следует нейтрализовать.

Наиболее эффективны буфера, в которых соотношение компонентов раствора максимально близкое к 1, когда же оно больше 10: 1 или менее 1:10, такие буфера совершенно не пригодны к использованию.

В случае когда [AH]: [A -] = 1: 1 pH буферного раствора равной pK a слабой кислоты, при этом буферная емкость раствора будет наиболее симметричной, то есть он может одинаково эффективно противостоять закислению и ощелачивание.

[attention type=green]

Для каждой пары слабая кислота / сопряженная основная существует так называемая область буферирования, то есть диапазон pH, в котором она может использоваться для создания эффективного буферного раствора. Область буферирования определяется как pK a слабой кислоты ± 1.

[/attention]

Так что для буфера с pH 5 можно использовать пару уксусная кислота / ацетат (pK a = 4,76), а для буфера с pH 9 — аммиак / аммоний (pK a = 9,25).

PH буферного раствора

pH буферного раствора при известной соотношение между количествами слабой кислоты и сопряженной основы можно определить, используя уравнения Гендерсона-Гассельбаха:

,

где pK a — константа кислотной диссоциации слабой кислоты, [AH] — ее молярная концентрация, [A -] — молярная концентрация сопряженной основы. Из приведенного уравнения можно сделать вывод, что, когда концентрация основания превышает концентрацию кислоты, то pH буферного раствора выше pK a, когда же [AH]> [A -], то наоборот — ниже.

Так что для приготовления буфера с желаемым pH можно выбрать слабую кислоту (или основу) с максимально приближенным значением pK a и рассчитать по уравнению Гендерсона-Гассельбаха соотношение кислоты и сопряженной основы, которые нужно смешать. Возможно также использовать и другие пути: например, титровать раствор слабой кислоты сильной щелочью, или ее соли сильной кислотой до нужного pH.

Изменение pH буферного раствора при добавлении сильных кислот или оснований

Чтобы вычислить, как изменится pH буферного раствора при добавлении известного количества сильной кислоты или основания, следует сначала использовать принципы стехиометрии, чтобы выяснить количество одного компонента буферного раствора при этом превратится в другой.

Предполагается, что реакция нейтрализации происходит до конца (например, если в ацетатного буфера добавить 0,1 моль гидроксида натрия, то можно считать, что количество уксусной кислоты в растворе уменьшится на 0,1 моль, а количество ацетата увеличится на такое же значение).

Полученные значения новых концентраций компонентов буфера можно подставить в уравнение Гендерсона-Гассельбаха для вычисления равновесного значения pH.

Практическое значение pH буферов

Буферные системы существуют внутри всех живых клеток, так как большинство из химических превращений, происходящих в них зависящие от pH. С этой же причине в лабораториях при исследовании свойств белков, особенно ферментов, нуклеиновых кислот и других биомолекул всегда используют pH буфера.

pH буфера широко используются во многих отраслях промышленности и в лабораторной практике. Например, один из первых этапов пивоварения — измельчение солода — должен происходить при pH от 5,0 до 5,2. С изготовлением пива связано и само открытие шкалы pH, поскольку ее изобретатель Сорен Соренсон работал исследователем на пивоварне.

Буферные системы крови человека

pH крови человека в среднем составляет 7,4, изменение этого значения даже на одну десятую единицы приводит к тяжелым нарушениям (ацидоза или алкалоза).

Когда водородный показатель выходит за пределы диапазона 6,8 ÷ 7,8, это обычно ведет к гибели.

Важнейшее буферная система крови — угольная (HCO-3 / H 2 CO 3), вторая по значению — фосфатный (HPO2-4 / H 2 PO-4), также определенную роль в поддержании pH играют белки.

PH буфера в биологических лабораториях

Значение pK a некоторых буферных агентов
Буферный агент pK a
Трис 8,3
TES 7,55
HEPES 7,55
MOPS 7,2
PIPES 6,8

В экспериментах с биохимии и молекулярной биологии первично использовались обычные буфера на основе слабых кислот и их сопряженных оснований, такие как цитратные, ацететни, фосфатные. Однако они имели ряд недостатков, таких как довольно значительное изменение pH при разведении или изменении температуры, проникновения их компонентов через клеточные мембраны и влияние на физиологические процессы. Поэтому на смену им стали применять буферы на основе других веществ, например основы трис (гидроксиметил) аминометану (сокращенно трис), цвиттер-ионной соединения MOPS и тому подобное.

Норман Гуд разработал серию буферов на основе соединений, молекулы которых могут находиться в состоянии цвиттерионив, таких как HEPES, PIPES, MES.

Гуд отбирал буферные агенты на основе таких желательных признаков как: значение pK a в диапазоне 6 ÷ 8, соответствует физиологическим значением pH, высокая растворимость в воде, нерастворимость в полярных соединениях, непроницаемость через мембраны, малое влияние на ионную силу раствора, максимальная независимость диссоциации от температуры и концентрации, стабильность, легкость в приготовлении. Также буферные агенты не должны поглощать видимый и ультрафиолетовый свет с длиной волны более 230 нм, чтобы не препятствовать стандартным методам спектрофотометрии. Ни одна из известных соединений не подходит идеально под все описанные признаки, однако имеющийся выбор буферных агентов позволяет выбрать нужный для каждой конкретной задачи.

Другие типы буферных систем

В химическом анализе применяют и другие буферные системы: окислительно-восстановительные буферные растворы для образования и сохранения окислительно-восстановительного потенциала, например, на основе смеси солей Fe (II) и Fe (III); кальциевый буферный раствор для образования и сохранения активности катионов кальция, например на основе смеси эквимолярной количества дигликоляту натрия и кальция или натриевой и кальциевой солей нитрилацетатнои кислоты. В ионометрии широко используются буферные растворы для образования общей ионной силы раствора (БРЗИС).

Буферный раствор постоянной ионной силы

Буферный раствор с высокой ионной силой, которая прилагается к аналiзованого и калиброванного растворов с целью обеспечения в них одинаковой ионной силы при равной активности йонiв Н + в этих растворах.

Источник: https://info-farm.ru/alphabet_index/b/bufernyjj-rastvor.html

Буферная система: классификация, пример и механизм действия

Уравнение буферного действия

Огромную роль для нормального функционирования человеческого организма играет кислотно-основное равновесие. Циркулирующая в организме кровь представляет собой смесь живых клеток, которые находятся в жидкой среде обитания.

Первой чертой охраны, что контролирует уровень pH в крови, выступает буферная система. Это физиологический механизм, который обеспечивает сохранение параметров кислотно-основного баланса, препятствуя перепадам pH.

Что он собой представляет и какие имеет разновидности, узнаем ниже.

Описание

Буферная система – это уникальный механизм. В организме человека существует их несколько, и все они состоят из плазмы и клеток крови.

Буферы представляют собою основания (белки и неорганические соединения), которые связывают или отдают Н+ и ОН-, уничтожая сдвиг pH в течение тридцати секунд.

Способность буфера поддерживать кислотно-основный баланс зависит от количества элементов, из которых он слагается.

Виды буферов крови

Кровь, которая постоянно движется, представляет собой живые клетки, которые существуют в жидкой среде. pH в норме составляет 7,37-7,44. Связка же ионов происходит определенным буфером, классификация буферных систем приведена ниже.

Сам же он состоит из плазмы и кровяных клеток и может быть фосфатным, белковым, бикарбонатным или гемоглобиновым. Все эти системы имеют достаточно простой механизм действия. Их деятельность нацелена на урегулирование уровня ионов в крови.

Гемоглобиновая буферная система является самой мощной из всех, она представляет собой щелочь в капиллярах тканей и кислоту в таком внутреннем органе, как легкие. На ее долю приходится около семидесяти пяти процентов всей буферной емкости.

Этот механизм участвует во множестве процессах, что происходят в крови человека, и имеет в своем составе глобин.

При переходе гемоглобинового буфера в другую форму (оксигемоглобин), наблюдается изменение этой формы, изменяются и кислотные свойства действующего вещества.

Качество восстановленного гемоглобина меньшее, чем у угольной кислоты, но становится намного лучше, когда он окисляется. Когда приобретается кислотность pH, гемоглобин соединяет ионы водорода, получается так, что он уже восстановленный.

Когда происходит очищение углекислого газа в легких, pH получается щелочным. В это время гемоглобин, который окислился, выступает донором протонов, при помощи чего происходит уравновешивание кислотно-основного баланса.

Так, буфер, что состоит из оксигемоглобина и его калиевой соли, способствует выделению из организма углекислоты.

[attention type=yellow]

Эта буферная система выполняет немаловажную роль в дыхательном процессе, так как совершает транспортную функцию по переносу к тканям и внутренним органам кислорода и удалению из них углекислоты. Кислотно-основное равновесие внутри эритроцитов при этом придерживается на постоянном уровне, следовательно, в крови также.

[/attention]

Таким образом, когда кровь насыщается кислородом, гемоглобин превращается в сильную кислоту, а когда кислород он отдает, то превращается в достаточно слабую органическую кислоту. Системы оксигемоглобина и гемоглобина – взаимопревращающиеся, они существуют как одно целое.

Особенности бикарбонатного буфера

Бикарбонатная буферная система выступает также мощной, но и самой управляемой в организме. На ее долю приходится около десяти процентов всей буферной емкости.

Она имеет универсальные свойства, которые обеспечивают ее двухстороннюю эффективность.

В состав этого буфера входит сопряженная кислотно-щелочная пара, что состоит из таких молекул, как угольная кислота (источник протона) и бикарбонат аниона (акцептор протона).

Так, бикарбонатная буферная система способствует протеканию систематического процесса, где в кровь попадает мощная кислота. Этот механизм связывает кислоту с бикарбонатом анионов, образуя кислоту угольную и ее соль. При попадании щелочи в кровь буфер связывается с угольной кислотой, образуя бикарбонатную соль.

Так как гидрокарбоната натрия в крови человека больше, чем угольной кислоты, данная буферная емкость будет иметь высокую кислотность. Другими словами, гидрокарбонатная буферная система (бикарбонатная)очень хорошо проводит компенсацию веществ, которые повышают кислотность крови.

К ним относится и молочная кислота, концентрация которой увеличивается при интенсивных физических нагрузках, а данный буфер очень быстро реагирует на изменения кислотно-основного баланса в крови.

Особенности фосфатного буфера

Фосфатная буферная система человека занимает близко двух процентов всей буферной емкости, что связано с содержанием в крови фосфатов. Этот механизм поддерживает показатель pH в моче и жидкости, что находится внутри клеток.

Буфер состоит из неорганических фосфатов: одноосновного (выполняет роль кислоты) и двухосновного (выполняет роль щелочи). При нормальном показателе pH соотношение кислоты и основания равняется 1:4. При увеличении количества ионов водорода фосфатная буферная система связывается с ними, образуя кислоту.

Этот механизм больше кислотный, чем щелочной, поэтому он отлично нейтрализует поступающие в кровь человека кислые метаболиты, например, молочную кислоту.

Особенности белкового буфера

Белковый буфер играет не такую особую роль в стабилизации кислотно-щелочного баланса, по сравнению с другими системами. На его долю приходится около семи процентов всей буферной емкости. Белки состоят из молекул, которые объединяются в кислотно-щелочные соединения. В кислой среде они выступают щелочами, которые связывают кислоты, в щелочной среде все происходит наоборот.

Это приводит к тому, что образуется белковая буферная система, которая достаточно эффективна при значении pH от 7,2 до 7,4. Большая доля белков представлена альбуминами и глобулинами.

[attention type=red]

Так как белковый заряд нулевой, то при нормальном показателе pH он находится в виде щелочи и соли. Эта буферная емкость зависит от количества белков, их структуры и свободных протонов.

[/attention]

Данный буфер может нейтрализовать и кислые, и щелочные продукты. Но емкость она имеет больше кислотную, чем щелочную.

Особенности эритроцитов

В норме эритроциты имеют постоянный показатель pH – 7,25. Здесь оказывают действие гидрокарбонатный и фосфатный буферы. Но по мощности они отличаются от тех, что находятся в крови.

В эритроцитах белковый буфер играет особую роль в обеспечении органов и тканей кислородом, а также удалению из них углекислоты. Кроме этого, он поддерживает постоянное значение внутри эритроцитов pH.

Белковый буфер в эритроцитах тесно связан с гидрокарбонатной системой, так как соотношение кислоты и соли здесь меньшее, чем в крови.

Пример буферной системы

Растворы сильных кислот и щелочей, которые обладаю слабыми реакциями, имеют непостоянный показатель pH. Но смесь кислоты уксусной с ее солью сохраняет имеет стабильное значение. Даже если к ним добавить кислоту или щелочь, кислотно-основное равновесие не изменится.

В качестве примера можно рассмотреть ацетатный буфер, который состоит из кислоты СН3СООН и ее соли СН3СОО. Если добавить сильную кислоту, то основание соли свяжет ионы Н+ и превратится в кислоту уксусную. Снижение уровня анионов соли уравновешивается увеличением молекул кислоты.

В результате этого наблюдается незначительное изменение в соотношении кислоты и ее соли, поэтому pH изменяется совсем незаметно.

Эффективность буферов

Буферы крови и эритроцитов имеют различную эффективность. У последних она выше, так как здесь присутствует гемоглобиновый буфер. Уменьшение количества ионов происходит по направлению от клетки до межклеточной среды, а затем до крови. Это говорит о том, что самая большая буферная емкость у крови, а меньшую имеет внутриклеточная среда.

При метаболизме в клетках появляются кислоты, которые проходят в межклеточную жидкость. Это происходит тем легче, чем их больше появляется в клетках, поскольку переизбыток ионов водорода увеличивает проницаемость мембраны клетки. Нам уже известна классификация буферных систем.

В эритроцитах они имеют более эффективные свойства, так как здесь еще играют роль коллагеновые волокна, которые реагируют набуханием на накопление кислоты, они ее поглощают и освобождают от ионов водорода эритроциты. Такая его способность обуславливается свойством абсорбции.

Взаимодействие буферов в организме

Все механизмы, которые находятся в организме, взаимосвязаны между собой. Буферы крови состоят из нескольких систем, вклад которых в поддержание кислотно-щелочного баланса различный.

При попадании крови в легкие она получает кислород путем его связывания в эритроцитах гемоглобином, образуя оксигемоглобин (кислоту), что поддерживает уровень pH.

При содействии карбоангидразы происходит параллельное очищение крови легких от углекислоты, которая в эритроцитах представлена в виде слабой двухосновной угольной кислотой и карбаминогемоглобином, а в крови – углекислотой и водой.

При уменьшении в эритроцитах количества слабой двухосновной угольной кислоты происходит проникновение ее из крови в эритроцит, и очищение крови от углекислоты. Таким образом, из клеток в кровь постоянно проходит слабая двухосновная угольная кислота, а из крови в эритроциты для соблюдения нейтральности поступают неактивные анионы хлорида.

В результате этого в красных клетках крови среда более кислотная, чем в плазме. Все системы буферов обосновываются отношением донор-акцептор протона (4:20), что связано с особенностями метаболизма организма человека, который образует большее число кислотных продуктов, чем щелочных.

Очень важным здесь является показатель кислотных буферных емкостей.

Обменные процессы в тканях

Кислотно-основной баланс поддерживается буферами и метаболическими превращениями в тканях организма. Этому помогают биохимические и физико-химические процессы.

Они способствуют потере кислотно-щелочных свойств продуктов обмена веществ, их связыванию, образованию новых соединений, которые быстро выводятся из организма. Например, большое количество молочной кислоты выводится в гликоген, органические кислоты нейтрализуются солями натрия.

Сильные кислоты и щелочи растворяются в липидах, а органические кислоты подвергаются окислению, образуя угольную кислоту.

[attention type=green]

Таким образом, буферная система – это первый помощник при нормализации кислотно-щелочного баланса в организме человека.

[/attention]

Стабильность pH нужна для нормальной работы биологических молекул и структур, органов и тканей.

При нормальных условиях буферные процессы поддерживают равновесие между появлением и удалением ионов водорода и углекислого газа, что способствует обеспечению в крови постоянного уровня pH.

Если происходит сбой в работе буферных систем, то у человека появляются такие патологии, как алкалоз или ацидоз. Все буферные системы взаимосвязаны и направлены на поддержание стабильного кислотно-основного равновесия. В организме человека постоянно образуется большое число кислых продуктов, которое эквивалентно тридцати литрам сильной кислоты.

Постоянство реакций внутри организма обеспечивают мощные буферы: фосфатный, белковый, гемоглобиновый и бикарбонатный. Существуют и другие буферные системы, но эти являются основными и самыми нужными для живого организма. Без их помощи у человека начнут развиваться различные патологии, которые могут привести к коме или летальному исходу.

Источник: https://FB.ru/article/336304/bufernaya-sistema-klassifikatsiya-primer-i-mehanizm-deystviya

Бикарбонатная буферная система

Уравнение буферного действия

› Наша Википедия › Буферная система бикарбонатная

Бикарбонатная буферная система – это гомеостатический кислотно-щелочной механизм, буферная система, представляющая собой сопряженную кислотно-основную пару, состоящую из молекулы угольной кислоты (H2CO3) в качестве донора протонов (H+) и бикарбонат (гидрокарбонат) – аниона (HCO3W22,) в качестве их акцептора.

Бикарбонатная буферная система – наиболее управляемая система внеклеточной жидкости и крови, играющая важную роль в поддержании постоянства pH [1] жидкостей организма животных, являющаяся важнейшей буферной системой крови [2], тканевой жидкости и лимфы [3]. Бикарбонатная буферная система также необходима для буферирования внутриклеточной жидкости [4].

Механизм действия

Бикарбонатная буферная система несколько сложнее других буферных систем, состоящих из пары слабая кислота / сопряженное основание, поскольку один из ее компонентов – угольная кислота – образуется в обратимой реакции с выделением углекислого газа, растворенного в плазме крови [5]. Концентрация последнего, в свою очередь, зависит от парциального давления CO2 в газовой фазе, с которой кровь взаимодействует (в альвеолярном воздухе [6]). Таким образом, pH бикарбонатной буферной системы зависит от трех равноважных процессов.

Уравнение 1. Диссоциации угольной кислоты.

Уравнение 2. Образование угольной кислоты из воды и растворенного углекислого газа CO2 (d).

Уравнение 3. Растворение углекислого газа из газовой фазы CO2 (g) в плазме крови.

Если концентрация ионов H+ в крови увеличивается (например, вследствие выделения лактата [7] мышцами), равновесие уравнения 1 смещается в сторону образования угольной кислоты, что, в свою очередь, приводит к повышению содержания растворенного углекислого газа (уравнение 2) и, наконец, к увеличению парциального давления CO2 в легких (уравнение 3). Лишний оксид углерода при этом выдыхается. Если pH крови повышается (например, вследствие образования NH3 во время катаболизма белков [8]), происходит обратный процесс: больше угольной кислоты распадается до бикарбоната, и, соответственно, больше углекислого газа растворяется в плазме крови.

Частота и глубина дыхания регулируется центром в стволе головного мозга, который получает информацию о концентрации углекислого газа в крови и ее кислотность. Снижение pH и увеличение парциального давления p (CO2) стимулирует ускорение газообмена в легких.

Вычисление pH буферной системы

Зона буферирования для пары слабая кислота / сопряженное основание (то есть диапазон pH, в котором такая буферная система может эффективно работать), рассчитывается как pKa±1 [9].

Отрицательный логарифм константы кислотной диссоциации для угольной кислоты Ka = 3,57 при 37 ° C.

При физиологических условиях, концентрация H2CO3 (приблизительно 1 мМ [10]) существенно ниже, чем концентрация HCO–3 (24-25 мМ), поэтому такая система должна быть очень эффективной в предотвращении снижению pH, но при выделении в кровь щелочных веществ, ее буферная емкость должна быстро исчерпываться.

[attention type=yellow]

Однако, поскольку кровь постоянно взаимодействует с большой резервной емкостью углекислого газа в воздухе легких, бикарбонатная система может эффективно противостоять и увеличению pH. Реальное наблюдаемое значение pKa в физиологических условиях для нее составляет 6,1.

[/attention]

В клинической медицине для вычисления pH плазмы крови, исходя из концентрации растворенного углекислого газа, используется следующая R03,R03,модификация уравнения Гендерсона-Гассельбаха [11].

где p (CO2) выражается в килопаскалях (обычно от 4,6 до 6,7 кПа), а коэффициент 0,23 отражает растворимость углекислого газа в воде.

Бикарбонатная буферная система в культуральных средах

Бикарбонатная буферная система широко используется для культивирования эукариотических клеток [12], например DMEM и RPMI-1640. В отличие от органических буферных агентов, таких как MOPS и HEPES, бикарбонат не является токсичным, большинство клеток нуждаются в нем для роста, независимо от его роли в поддержании устойчивого pH.

Кроме самого бикарбоната, который добавляется в среды в виде натриевой соли, для эффективного функционирования бикарбонатная буферная система требует достаточной концентрации углекислого газа (хотя он и выделяется живыми клетками, этого количества недостаточно для поддержания необходимого значения pH, поэтому клетки культивируют в CO2-инкубаторах с концентрацией углекислого газа 5-10%). Если среда, в которой используется бикарбонатная буферная система, длительное время взаимодействует с обычным воздухом (концентрация CO2 0,04%) его pH постепенно увеличивается.

Примечания и пояснения к статье «Буферная система бикарбонатная».

При написании статьи о бикарбонатной буферной системе в качестве источников использовались материалы информационных и справочных интернет-порталов, сайтов новостей HarperCollege.edu, Chemistry.WUSTL.edu, Boundless.com, ScienceDaily.com, Bio.MSU.ru, NIIB.SFedU.ru, Википедия, а также следующие печатные издания:

  • Кассиль Г. Н. «Внутренняя среда организма». Издательство «Наука», 1978 год, Москва,
  • Кристофер Вазей «Кислотно-щелочной баланс организма. Самодиагностика, методы лечения и восстановления организма. Академия здоровья». Издательство «Столица-Принт», 2007 год, Москва,
  • В. Дж. Маршалл «Клиническая биохимия». Издательство «Бином. Лаборатория знаний», 2011 год, Москва,
  • Шипов А. А. «Липидный обмен и реологические свойства крови при отеке легких». Издательство «LAP Lambert Academic Publishing», 2011 год, Саарбрюккен, Германия.

(2 votes, average: 3,00 5)

Источник: http://MoiTabletki.ru/bicarbonate-buffering-system.html

Быстрая компенсация сдвигов рН

Уравнение буферного действия

Буферные системы – это соединения, противодействующие резким изменениям концентрации ионов Н+. Любая буферная система – это кислотно-основная пара: слабое основание (анион, А–) и слабая кислота (Н-Анион, H-А).

Они минимизируют сдвиги количества ионов Н+ за счет их связывания с анионом и включения в плохо диссоциирующее соединение – в слабую кислоту.

Поэтому общее количество ионов Н+ изменяется не так заметно, как это могло бы быть.

Существует три буферные системы жидкостей организма – бикарбонатная, фосфатная, белковая (включая гемоглобиновую).Они вступают в действие моментально и через несколько минут их эффект достигает максимума возможного.

Фосфатная буферная система

Фосфатная буферная система составляет около 2% от всей буферной емкости крови и до 50% буферной емкости мочи. Она образована гидрофосфатом (HPO42–) и дигидрофосфатом (H2PO4–). Дигидрофосфат слабо диссоциирует и ведет себя как слабая кислота, гидрофосфат обладает щелочными свойствами. В норме отношение HРO42– к H2РO4– равно 4 : 1.

При взаимодействии кислот (ионов Н+) с двузамещенным фосфатом (HPO42‑) образуется дигидрофосфат (H2PO4–):

Удаление ионов H+ фосфатным буфером

В результате концентрация ионов Н+ понижается.

При поступлении в кровь оснований (избыток ОН–‑групп) они нейтрализуются поступающими в плазму от H2PO4–  ионами Н+:

Бикарбонатная буферная система

Эта система самая мощная, на ее долю приходится 65% всей буферной мощности крови. Она состоит из бикарбонат-иона (НСО3–) и угольной кислоты (Н2СО3). В норме отношение HCO3– к H2CO3 равно 20 : 1.

При поступлении в кровь ионов H+ (т.е. кислоты) ионы бикарбоната натрия взаимодействуют с ней и образуется угольная кислота:

При работе бикарбонатной системы концентрация водородных ионов понижается, т.к. угольная кислота является очень слабой кислотой и плохо диссоциирует. При этом в крови не происходит параллельного значимого увеличения концентрации НСО3–.

Если в кровь поступают вещества с щелочными свойствами, то они реагируют с угольной кислотой и образуют ионы бикарбоната:

Кроме эритроцитов, значительная активность карбоангидразы отмечена в эпителии почечных канальцев, клетках слизистой оболочки желудка, коре надпочечников и клетках печени, в незначительных количествах – в центральной нервной системе, поджелудочной железе и других органах.

Белковая буферная система

Белки плазмы, в первую очередь альбумин, играют роль буфера благодаря своим амфотерным свойствам. Их вклад в буферизацию плазмы крови около 5%.

В кислой среде подавляется диссоциация СООН‑групп аминокислотных радикалов (в аспарагиновой и глутаминовой кислотах), а группы NH2 (в аргинине и лизине) связывают избыток Н+. При этом белок заряжается положительно.

В щелочной среде усиливается диссоциация COOH‑групп, поступающие в плазму ионы Н+ связывают избыток ОН–‑ионов и pH сохраняется. Белки в данном случае выступают как кислоты и заряжаются отрицательно.

Гемоглобиновая буферная система

Высокой мощностью в крови обладает гемоглобиновый буфер, на него приходится до 28% всей буферной емкости крови. В качестве кислой части буфера выступает оксигенированный гемоглобин H‑HbO2.

Он имеет выраженные кислотные свойства и в 80 раз легче отдает ионы водорода, чем восстановленный Н‑Нb, выступающий как основание.

Гемоглобиновый буфер можно рассматривать как часть белкового, но его особенностью является работа в теснейшем контакте с бикарбонатной системой.

[attention type=red]

Изменение кислотности гемоглобина происходит в тканях и в легких, и вызывается связыванием соответственно H+ или О2. Непосредственный механизм действия буфера заключается в присоединении или отдаче иона H+  остатком гистидина в глобиновой части молекулы (эффект Бора).

[/attention]

В тканях более кислый pH в норме является результатом накопления минеральных (угольной, серной, соляной) и органических кислот (молочной). При компенсации pH данным буфером ионы H+ присоединяются к пришедшему оксигемоглобину (HbО2) и превращают его в H‑HbО2. Это моментально вызывает отдачу оксигемоглобином кислорода (эффект Бора) и он превращается в восстановленный H‑Hb.

НbO2+ Н+ → [H-HbO2] → Н-Hb + O2

В результате снижается количество кислот, в первую очередь Н2СО3, продуцируются ионы НСО3‑ и тканевое пространство подщелачивается.

В легкихпосле удаления СО2 (угольной кислоты) происходит защелачивание крови. При этом присоединение О2 к дезоксигемоглобину H-Hb образует кислоту более сильную, чем угольная. Она отдает свои ионы Н+ в среду, предотвращая повышение рН:

Н-Hb + O2 → [H-HbO2] → НbO2 + Н+

Работу гемоглобинового буфера рассматривают неотрывно от бикарбонатного буфера:

Источник: https://biokhimija.ru/kislotno-sonovnoe-sostojanie/bufernye-sistemy.html

Сам себе врач
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: