Биологическая роль буферных систем.

Буферные системы действуют в живых организмах, поддерживая постоянство рН. Так, несмотря на то, что в течение суток вследствие обменных процессов и с пищей в организм поступает примерно 2 литра 1н ( 1н. соляная кислота - т.е. кислота с молярной концентрацией эквивалента кислоты, равной 1 моль дм^-3 кислоты. рН в организме практически не меняется. Буферные системы обеспечивают оптимальные условия обменных процессов, обеспечивают действие ферментов. В отличие от лабораторных буферных растворов , рН буферных систем организма регулируется не только химическим, но и физиологическим путем . Биологические буферные системы вне организма сохраняют способность регулировать свое значение рH. Это свойство используется в диагностике ряда заболеваний.

Буферные системы крови.

Кровь - это сложный раствор, содержащий несколько буферных систем. Рассмотрим буферные системы крови в порядке уменьшения их буферной емкости.

1) Гемоглобиновая буферная система HHb ↔H⁺ +Hb^- и KHb↔ K⁺ + Hb^- - обладает самой большой величиной буферной емкости. Действует в эритроцитах крови. Ее буферная емкость (β) составляет 75% от всей буферной емкости крови.

2) Оксигемоглобиновая буферная система HhbO₂ ↔H+ +HbO₂^- и KhbO₂↔ K⁺ + HbO₂^- - имеет такую же величину буферной емкости, как и гемоглобиновая буферная система. Оксигемоглобин, образующийся в легких при взаимодействии гемоглобина с кислородом, переносится артериальной кровью в капиллярные сосуды, откуда попадает в ткани. На освобождение кислорода из оксигемоглобина НHbО₂ влияет присутствие угольной кислоты Н₂СО₃, которая стимулирует реакцию распада НHbО₂ на гемоглобин ННb и кислород О₂. Гемоглобин НHb дальше диссоциирует на катионы водорода H⁺ и анионы Нb-, которые затем реагируют с угольной кислотой: Нb^-+Н₂СО₃=ННb+НСО₃^-. Образующиеся гидрокарбонат-ионы НСО₃^- проходят через мембраны и уносятся током крови. Обогатившаяся гемоглобином и содержащая в себе углекислый газ СО₂, венозная кровь возвращается в легкие, где происходит обогащение гемоглобина кислородом: HHb + O₂ ↔HhbO₂ освобождающиеся при этом катионы водорода связываются с гидрокарбонат-ионами НСО₃^- с образованием угольной кислоты, которая распадается на СО2 и воду. Образующийся СО₂ удаляется в атмосферу за счет легочной вентиляций.

3)Белковая буферная система Hprot и NaProt. Буферная емкость этой системы в 10 раз меньше, чем гемоглобиновой. Действует в плазме крови. Благодаря белковой буферной системе все клетки и ткани организма обладают буферным действием.

4) Эфиры глюкозы и фосфорной кислоты различной степени замещения Г-PO₂Na₂ и Г-PO₃NaH. Она способствует сохранению постоянства рН в организме.

5) Карбонатная буферная система H₂CO₃↔H⁺ +HO₃^- и NaHCO₃↔Na⁺ +HCO₃^-Характеризует кислотно-щелочной резерв кропи. Действует в плазме крови и в эритроцитах. Имеет незначительную буферную емкость, но играет первостепенную роль в регуляции дыхания. В медицине кислотно-щелочное равновесие организма оценивают с помощью уравнения Гендерсона-Гассельбаха, выведенного для карбонатного буфера:

pH=pK+ Ig[HCO₃^-]/[H₂CO₃]

Опытным путем было найдено, что в крови здорового человека рК=6,11 и рН=7,34-7,36 (эти две константы приведены для запоминания). Если рН крови выходит за пределы рН=7,34-7,36, то наступает смерть. В крови угольная кислота полностью разлагается на СО2 и воду, поэтому:

[Н₂СО₃]=[СО₂] и [NaСО₃^-]=[НСО₃^-]

Тогда рабочая формула крови человека: рН= 6,11+Ig [НСО₃^-]/[СО₂]

Измерив рН с помощью прибора, можно рассчитать по этому уравнению величину буферного отношения [НСО₃^-]/[СО₂]. Для нормы [НСО₃^-]/[СО₂]=20/1

При задержке СО₂ в крови это отношение становится меньше, чем 20:1. т.е. кислотно-щелочное равновесие нарушается в сторону повышения концентрации катионов водорода (повышения кислотности) и организм находится в состоянии ацидоза - это патология. Если рН<7,34 (крови), то ацидоз некомпенсированный (дыхание ослаблено). При рН 7,34-7,36 ацидоз компенсированный. Если из организма очень быстро выводится СО₂, то буферное отношение становится больше, чем 20:1 В этом случае кислотно-основное равновесие также нарушается с развитием патологического состояния алкалоза. Если рН>7,36, то алкалоз компенсированный (дыхание учащено). Если рН=7,34-7,36. то алкалоз компенсированный. Регуляция этой буферной системы осуществляется через дыхательный центр гипоталамуса. Отклонение в сторону ацидоза или алкалоза свидетельствуют о серьезных нарушениях в организме. Особенно часто происходит сдвиг кислотно-щелочного равновесия у грудных детей, поскольку в этом возрасте органы, принимающие участие в регуляции рН (легкие и почки), либо недостаточно совершенны, либо выполняют физиологические функции с предельной нагрузкой. Так, простое голодание быстро вызывает развитие ацидоза, а даже однократная рвота может привести к алкалозу. Показатели, характеризующие кислотно-щелочное состояние в детском возрасте, мало отличаются от показателей взрослых людей. Ацидоз и алкалоз могут возникать либо в результате поступления в организм через пищевой тракт или органы дыхания избыточных количеств продуктов с повышенной кислотностью или щелочностью, либо в результате патологий организма, связанных с нарушениями обмена веществ, функций дыхания и кровообращения (напр., состояние ацидоза может возникнуть в результате кратковременной остановки сердца). Поскольку в регуляции кислотно-основного состояния крови принимают участие легкие и почки, то различают метаболический и респираторный ацидоз и алкалоз. При нормальной вентиляции легких давление СО₂ в артериальной крови составляет 4,7-5,3 кПа. Респираторные нарушения, кислотно-щелочного равновесия крови определяется клинически. а метаболические могут протекать бессимптомно. В этом случае необходим дополнительный лабораторный контроль.

6) Фосфатная буферная система Na₂HPO₄ и KH₂PO₄ действует в организме, присутствует внутри и вне клетки. Дополнительная регуляция создается почками. В зависимости от соотношения этих солей могут быть полнены буферные смеси с различными значениями рН (в основном от 5,9 до 7,8). Фосфатные буферные системы часто применяются в лабораторной практике, т.к. их значения рН соответствуют наиболее важным в физиологическом отношении значениям реакций среды организма. Фосфатный буфер имеет наибольшее значение в таких биологических жидкостях, как моча и соки пищеварительных желез. Т.о. благодаря буферному действию вышеуказанных систем рН крови в норме практически не меняется, несмотря на поступление извне значительных количеств сильных кислот и щелочей.