БУФЕРНЫЕ РАСТВОРЫ
Буферными системами называются растворы, способные сохранять постоянство концентрации ионов водорода (рН) при добавлении кислот или щелочей и при разведении. Состав буферных систем. 1тип: из слабой кислоты и её соли, образованной сильным основанием; СН 3 СОО H H + + СН 3 СОО – слабая сопряж. к-та сопряж. основание 2тип: из слабого основания и его соли, образованной сильной кислотой. NH 3 + H + NH 4 + слабое сопряж. сопряж. кислота основание
Общий механизм действия буферных растворов НА Н + + А – а/ А – + Н+ НА [при добавлении сильной кислоты] б/ НА + ОН – Н 2 О + А – [при добавлении щелочи] Рассмотрим этот механизм на примере ацетатного буфера. а/ При добавлении HCl происходит взаимодействие с СН 3 СОО Na : СН 3 СОО - + Na + + H + + Cl - Na + + Cl - + СН 3 СООН б / При добавлении щелочи : СН 3 СОО Н + Na + + OH - СН 3 СОО - + Na + + Н 2 О
рН буферных смесей. Ацетатный буфер (1 типа) СН 3 СОО H + СН 3 СОО Na Прологарифмируем и получим уравнение Гендерсона-Гассельбальха: рН = рК а + lg [акцептор протона] [донор протона] рН = рК а + lg [соль] [кислота ] рК а = - lg К д слабой кислоты
Аммиачный буфер (2 типа) - NH 4 ОН + NH 4 Cl рК в = - lg К д слабого основания рН = 14 - рК в – lg [соль] [основание ] р O Н = рК В + lg [соль] [основание ]
При разбавлении буферных растворов концентрации всех компонентов уменьшаются. Но так как они изменяются одинаково, то их отношение остается неизменным. Величина константы диссоциации слабого электролита также не изменяется при разведении.
Буферной емкостью (В) называется число моль-эквивалентов сильной кислоты или щелочи, которые нужно добавить к 1 литру буферного раствора, чтобы изменить величину рН на единицу.
Какие факторы определяют буферную ёмкость? 1. Наибольшей буферной ёмкостью обладают концентрированные буферные растворы. 2. Из двух буферных растворов с одинаковой концентрацией буферная ёмкость будет больше у того раствора, у которого соотношение компонентов равно единице или близко к единице. 3. При разбавлении рН раствора не меняется, но его буферная ёмкость падает.
В К моль/л кровь-0,05 сыворотка крови- 0,025 плазмы крови -0.03 слюны -0.008
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 %
гемоглобиновый буфер : где HHb — дезоксигемоглобин ; HHbO 2 — оксигемоглобин ; KHb — калиевая соль дезоксигемоглобина; KHbO 2 — калиевая соль оксигемоглобина
Механизм действия гемоглобинового буфера Гемоглобин является белком, он амфотерен COO - COOH Pt + H + + Cl - Pt NH 3 + NH 3 + Cl COO - COONa Pt + Na + + OH - Pt NH 3 + NH 3 + OH Буферная система, состоящая из оксигемоглобина и калиевой соли гемоглобина, участвует в выделении углекислоты из организма, понижая рН По силе HHbO 2 > H 2 CO 3 > HHb более сильная будет вытеснять более слабую из растворов ее солей:
В тканях и лёгких протекают следующие процессы: 1. В тканях : KHb + H 2 CO 3 HHb + KHCO 3 Происходит вытеснение HHb из его соли. 2. В лёгких : HHb + O 2 HHbO 2 карбоангидраза 3. В лёгких : HHbO 2 + KHCO 3 H 2 CO 3 + KHbO 2 H 2 CO 3 H 2 O + CO 2 Происходит вытеснение более слабой угольной кислоты из её соли. 4. В тканях: KHbO 2 KHb + O 2
Перемещение ионов хлора между эритроцитом и плазмой крови носит название «хлоридного сдвига».
Гидрокарбонатная буферная система( [НСОз - ]/[Н 2 СОз]) – наиболее важная буферная система крови. соотношение Н 2 СО 3 к NaHCO 3 1 : 20 Механизм действия бикарбонатного буфера – обычный [CO 2 ]= 0,03 p CO2, где p CO2 -парциальное давление; 0,03 - коэффициент растворимости CO 2 в жидких средах организма; рК 1 =6,1 (для крови)
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.
Фосфатный буфер имеет наибольшее значение не в крови, а в таких биологических жидкостях, как моча и соки пищеварительных желез. Особенностью фосфатного буфера является то, что оба его компонента являются сильными электролитами, его формула: NaH 2 PO 4 / Na 2 HPO 4 [соотношение солей 1:4].
Механизм действия фосфатного буфера: 1) при добавлении кислоты: 2 Na + + HPO 4 2– + H + + Cl - NaH 2 PO 4 + Na + + Cl - 2) при добавлении щелочи : NaH 2 PO 4 + NaOH Na 2 HPO 4 + H 2 O Избыток однозамещённого и двузамещённого фосфата удаляется через почки. полное восстановление отношения в буфере происходит только через 2—3 сут.
Белковый буфер [белков плазмы]. Роль кислоты в этом буфере выполняет белок [протеин], а роль соли — соль протеина. Механизм действия: 1) с кислотой образуются слабо диссоциирующая белок-кислота: Pt—COONa + HCl Pt—COOH + NaCl 2) с щелочами идёт реакция нейтрализации: Pt—COOH + NaOH Pt—COONa + H 2 O
КИСЛОТНО-ОСНОВНОЕ СОСТОЯНИЕ (КОС) 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 которых в организме способствует понижению рН 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 различают компенсированный и некомпенсированный ацидоз (алкалоз). При компенсированном ацидозе (алкалозе), несмотря на отклонения от нормы кислотной буферной емкости, рН крови сохраняет значение в пределах 7,35 < рН < 7,45. Некомпенсированный ацидоз сопровождается уменьшением кислотной буферной емкости и снижением рН крови (6,8 < рН < 7,35), а Некомпенсированный алкалоз - увеличением кислотной буферной емкости и повышением рН крови (7,45 < рН < 7,9). Снижение рН крови по сравнению с нормой называется ацидемией, а повышение рН крови — алкалемией. Изменение значения рН крови на 0,6 единицы в любую сторону приводит к летальному исходу. .
Показатели КОС: 1.Величина рН плазмы крови - 7,35 < рН < 7,45. 2. Парциальное напряжение углекислоты р(СО2) - парциальное давление CO 2 р(СО2) = (40 ± 5) мм рт. ст. Предельные значения парциального давления СО2 составляют при алкалозе 10 мм рт. ст., а при ацидозе 130 мм рт. ст. 3. Содержание гидрокарбоната в плазме крови в норме с(НСО 3 ) = = (24,4 ± 3) ммоль/л. 4. Содержание буферных оснований в плазме крови (ВВ) (БО)-нормальное значение для плазмы ВВ = (42 ± 3) ммоль/л. 5. Сдвиг (Избыток или дефицит )буферных оснований в крови BE (СБО)= разнице между БО в крови у исследуемого человека и значением ВВ в норме, равным 42 ммоль/л. В норме BE равен ±3 ммоль/л. При патологии : ±30 ммоль/л.
Метаболический ацидоз характеризуется избытком нелетучей кислоты или дефицитом гидрокарбонат-аниона в межклеточной жидкости. Показатели: ВВ < норма; [донор протона] > норма; рН < норма; c(HCO 3 ) < норма; BE < норма; р(СО2) < 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 гидрокарбонат-аниона в межклеточной жидкости. Показатели: ВВ > норма; [акцептор протона] > норма; рН > норма; с(НСОз) > норма; BE > норма; р(СО2) > 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 СО2 Показатели: ВВ < норма; [донор протона] > норма; рН < норма; с(НСОз) > норма; BE > норма; р(СО2) > 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 СО2. Показатели: ВВ > норма; [донор протона] < норма; рН > норма; с(НСОз) < норма; BE < норма; р(СО2) < норма. Причины: вдыхание разреженного воздуха, чрезмерное возбуждение дыхательного центра вследствие поражения мозга, гипервентиляция легких, развитие тепловой одышки.
Коррекция При ацидозе в качестве экстренной меры используют внутривенное вливание растворов гидрокарбоната натрия (по 100-200 мл 4,5 % раствора, в острых случаях до 100 мл 8,4 % раствора), Кол-во мл 5% Na НСО 3 = 3,66 % водный раствор трисамина H 2 NC(CH 2 OH) 3 11 % раствор лактата натрия.
Для устранения алкалоза 5 % раствор аскорбиновой кислоты, частично нейтрализованный гидрокарбонатом натрия до рН = 6,0-7,0. вдыхание смеси с повышенным содержанием углекислого газа, приём через рот капельно растворов хлорида аммония. После еды при метаболическом алкалозе можно назначать внутрь 1% раствор HCl [всего 0,5 г].
