Буферные системы организма

Новгородский  Государственный Университет им. Ярослава Мудрого

кафедра «Химия и экология» 
 
 
 
 
 

Реферат на тему

« Буферные системы организма» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                                              Проверила: доцент кафедры Олисова Г.А

                                                              «     » __________    ____________ 
 

                                                                                 Выполнила: студентка 1 курса

                                                                             стоматологического факультета

                                                                           гр. 0442 Поликарпова Наталья 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

В. Новгород

2010 
План 

1. Биологические  буферные системы…………………………………..2
2. Буферные системы организма………………………………………...3
3. Взаимодействия буферных систем в организме……………………..8
4. Патологические изменения…………………………………………….10
5. Заключение……………………………………………………………..12

Биологические  буферные системы 

Большинство биожиткостей организма способно сохранять значение pH при незначительных внешних воздействий, так как они являются буферными растворами.

Буферный  раствор – это раствор, содержащий протолитическую равновесную систему, способную поддерживать практически постоянное значение pH при разбавлении или при добавлении небольших количеств кислот или щелочи.

В протолитических  буферных растворах компонентами являются донор протона и акцептор протона, представляющие собой  сопряженную  кислотно- основную пару.

По принадлежности слабого электролита к классу кислот или оснований буферные системы делятся на кислотные и основные. 

Кислотными  буферными системами называются растворы, содержащие слабую кислоту ( донор протона) и соль этой кислоты ( акцептор протона). Кислотные буферные растворы могут содержать различные системы: ацетатную (CH₃COO^-, CH₃COOH), гидрокарбонатную ( HCO₃^-, H₂CO₃), гидрофосфатную ( HPO₂^2-, H₂PO₄^-). 

Основными буферными системами называются растворы, содержащие слабые основания ( акцептор протона) и соль этого основания ( донор протона).

Буферные  системы организма 

Организм можно  определить как физико-химическую систему, существующую в окружающей среде  в стационарном состоянии. Именно эта  способность живых систем сохранять  стационарное состояние в условиях непрерывно меняющейся среды и обусловливает их выживание. Для обеспечения стационарного состояния у всех организмов – от морфологически самых простых до наиболее сложных – выработались разнообразные анатомические, физиологические и поведенческие приспособления, служащие одной цели – сохранению постоянства внутренней среды. 

Это относительное  динамическое постоянство внутренней среды (крови, лимфы, тканевой жидкости) и устойчивость основных физиологических  функций (кровообращения, дыхания, терморегуляции, обмена веществ и т.д.) организма человека и животных называется гомеостазом. 

Этот процесс  осуществляется преимущественно деятельностью  лёгких и почек за счёт дыхательной  и выделительной функции. В основе гомеостаза лежит сохранение кислотно-основного  баланса. 

Основная функция буферных систем предотвращение значительных сдвигов рН путём взаимодействия буфера как с кислотой, так и с основанием. Действие буферных систем в организме направлено преимущественно на нейтрализацию образующихся кислот. 

Н+ + буфер- <==> Н-буфер 

В организме одновременно существует несколько различных буферных систем. В функциональном плане их можно разделить на бикарбонатную и небикарбонатную. Небикарбонатная буферная система включает гемоглобин, различные белки и фосфаты. Она наиболее активно действует в крови и внутри клеток. 

Гидрокарбонатная  буферная система образована оксидом углерода (IV). 

                   СО₂ + Н₂О↔ СО₂ ∙ Н₂О ↔ Н₂СО₃↔ Н⁺ + НСО₃^- 

В этой системе  донором протона является угольная кислота H₂CO₃, а акцептором протона – гидрокарбонат-ион HCO₃^- .С учетом физиологии условно весь CO₂ в организме, как просто растворенный, так и гидратированный до угольной кислоты, принято рассматривать как угольную кислоту.                                          

Угольная кислота  при физиологическом значении pH= 7,40 находится преимущественно в виде  моноаниона, а отношение концентраций компонентов в гидрокарбонатной буферной системе крови [ HCO₃^-]\ [CO₂]=20:1. Следовательно, гидрокарбонатная система имеет буферную емкость по кислоте значительно больше буферной емкости по основанию. Это отвечает особенностям нашего организма.

Если в кровь  поступает кислота и увеличивается  концентрация иона водорода, то он, взаимодействует  с HCO₃^- , смещает в сторону H₂CO₃ и приводит к выделению газообразного углекислого газа, который выделяется из организма  в процессе дыхания через легкие.

                               Н⁺ + НСО₃^- ↔ Н₂СО₃ ↔ СО₂↑ + Н₂О

При поступлении  в кровь оснований, они связываются  угольной кислотой , и равновесие смещается  в сторону HCO₃^-.

                                       ОН^- + Н₂СО₃ ↔ НСО₃^- + Н₂О

Главное назначение гидрокарбонатного буфера заключается  в нейтрализации кислот. Он является системой быстрого и эффективного реагирования, так как продукт его взаимодействия с кислотами – углекислый газ – быстро выводится через легкие. Нарушение кислотно- основного равновесия в организме прежде всего компенсируется с помощью гидрокарбонатной буферной системы ( 10-15 мин.)

Гидрокарбонатный  буфер является основной буферной системой плазмы крови, обеспечивающей около 55% от всей буферной емкости крови. Гидрокарбонатный буфер содержится также в эритроцитах, межклеточной жидкости и в почечной ткани. 

гидрофосфатная буферная система содержится как в крови, так и в клеточной жидкости других тканей, особенно почек. В  клетках она представлена К₂НРО₄ и КН₂РО₄ , а в плазме крови и межклеточной жидкости

Nа₂НРО₄ и NаН₂РО₄. Роль донора протона в этой системе играет ион Н₂РО₄^-, а акцептора – ион НРО₄^2-.

В норме отношение  форм [НРО₄^2-]\[ Н₂РО₄^-] =4:1. Следовательно, и эта система имеет буферную емкость по кислоте больше, чем по основанию. При увеличении концентрации катионов водорода во внутриклеточной жидкости, например в результате переработки мясной пищи, происходит их нейтрализация ионами НРО₄^2-.

                                      Н⁺ + НРО₄^2- ↔ Н₂РО₄^-

 Образующийся  избыточный дигидрофосфат выводится почками, что приводит к снижению величины рН мочи.

При увеличении концентраций оснований в организме, например при употреблении растительной пищи, они нейтрализуются ионами  Н₂РО₄^-

                              ОН^- + Н₂РО₄^- ↔ НРО₄^2- + Н₂О

Образующийся избыточный гидрофосфат выводится почками, при этом рН мочи повышается.

 В отличии  от гидрокарбонатной , фосфатная  система более « консервативная»,  так как избыточные продукты нейтрализации выводятся через почки и полное восстановление отношений  [НРО₄^2-]\[ Н₂РО₄^-] происходит только через 2-3 сут. Длительности легочной и почечной компенсации нарушений отношения компонентов в буферных системах необходимо учитывать при терапевтической коррекции  нарушений кислотно- основного равновесия организма. 
 
 
 

гемоглабиновая  буферная система является сложной буферной системой эритроцитов, которая включает в качестве донора протона две слабые кислоты: гемоглобин ННb и оксигемоглобин ННbО₂. роль акцептора протона играет сопряженные этим кислотам основания, т.е. их анионы Нb^- и НbО₂^-.

                                           Н⁺ + Нb^-↔ ННb

                                           Н⁺ + НbО₂^- ↔ ННb + О₂

 При добавлении  кислот поглощать ионы Н⁺ в первую очередь будут анионы гемоглобина, которые имеют большое сродство к протону. При действии основания оксигемоглобин будет проявлять большую активность, чем гемоглобин.

                   ОН^- + ННbО₂ ↔ НbО₂^- + Н₂О       ОН^- + ННb↔ Нb^- + Н₂О

Таким образом, гемоглобиновая система крови играет значительную роль сразу в нескольких важнейших физиологических процессах организма: дыхании, транспорте кислорода в ткани и поддержании постоянства рН внутри эритроцитах, а конечном итоге  - в крови. Эта система эффективно функционирует только в сочетании с другими буферными системами организма. 

белковые ( протеиновые) буферные системы в зависимости от кислотно-основных свойств белка, характеризующиеся его изоэлектрической точкой, бывают анионного и катионного типа.

Анионный белковый буфер работает при рН>рI_белка и состоит из донора протонов – молекулы белка НРrot, имеющей биполярно- ионное строение , и акцептора протонов – анион Рrot^-.

                    Н₃N⁺ – Рrot – СООН ↔ Н⁺ + Н₃N – Рrot – СОО^-

                                 ^кратко Н₂Рrot ↔ Н⁺ + ( НРrot)^-

При добавлении кислоты это равновесие смещается  в сторону образование молекулы белка, а при добавлении основания  в системе увеличивается содержание аниона белка.

Катионная белковая б буферная система работает при рН<рI_белка  и состоит из донора протона – катиона белка Н₂Рrot и акцептора протона - молекулы белка НРrot.

                              Н₃N⁺ – Рrot – СООН↔ Н⁺ + Н₃N – Рrot – СОО^-

                                 ^кратко (Н₂Рrot)⁺ + НРrot

Катионная буферная система НРrot, (Н₂Рrot)⁺ обычно поддерживает величину рН в физиологических средах с рН < 6, а анионная белковая  буферная система (Рrot)^- , НРrot – в средах с рН >6. В крови работает анионный белковый буфер. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Взаимодействии  буферных систем в  организме 

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

Нередко отклонения рН крови от нормального для нее  значения 7,36 всего лишь на несколько  сотых приводят к неприятным последствиям. При отклонениях порядка 0,3 единицы  в ту или другую сторону может  наступит тяжелое коматозное состояние, а отклонения порядка 0,4 единицы могут повлечь даже смертельный исход. Впрочем, в некоторых случаях, при ослабленном иммунитете, для этого оказывается достаточными и отклонения порядка 0,1 единицы рН. 

Особенно большое  значение буферных систем имеют в поддержании кислотно-основного равновесия организма. Внутриклеточные и внеклеточные жидкости всех живых организмов, как правило, характеризуются постоянным значением рН, которое поддерживается с помощью различных буферных систем , которые взаимосвязан друг с другом. Значение рН большей части внутриклеточных жидкостей находится в интервале от 6,8 до 7,8. 
 

Нормальное значение рН плазмы крови составляет 7,40 0,05. Этому  соответствует интервал значений активной кислотности а (Н+) от 3,7 до 4,0 10-8 моль/л. Так как в крови присутствуют различные электролиты – НСО₃^-, Н₂СО₃, НРО₄^2-, Н₂РО₄^-, белки, аминокислоты, это означает, что они диссоциируют в такой степени, чтобы активность а (Н+) находилась в указанном интервале.

Эритроциты. Во внутренней среде эритроцитов в норме поддерживается постоянное рН, равное 7,25. Здесь действуют водородкарбонатная, белковая и фосфатная буферные системы. Однако их мощность отличается от таковой в плазме крови. Кроме того, в эритроцитах белковая система гемоглобин-оксигемоглобин играет важную роль как в процессе дыхания (транспортная функция по переносу кислорода к тканям и органам и удалению из них метаболической СО₂), так и в поддержании постоянства рН внутри эритроцитов, а в результате и в крови в целом. Необходимо отметит, что эта буферная система в эритроцитах тесно связана с гидрокарбонатной системой. Т. к. рН внутри эритроцитов 7,25, то соотношение концентраций соли

(НСО₃^-) и кислоты (Н₂СО₃) здесь несколько меньше, чем в плазме крови. И хотя буферная емкость этой системы по кислоте внутри эритроцитов несколько меньше, чем в плазме, она эффективно поддерживает постоянство рН.

Таким образом, в поддержании постоянства кислотно-щелочного  равновесия в крови участвует  ряд буферных систем, обеспечивающих кислотно-основной гомеостаз в организме. 

В плазму крови  из тканей поступает метаболический Н⁺ и СО₂, а из эритроцитов – НСО₃^-. Буферные основания плазм – гидрокарбонат – анион НСО₃^-, анион белка ( Prot)^- и гидрофосфат –анион НРО₄^2-, реагируя с поступающими кислотными субстратами Н⁺, СО₂ ,  Н₂СО₃, Н₂О. 

Н⁺ + НСО₃^- ↔ Н₂СО₃     Н⁺ + (Prot)^-↔ НProt   Н⁺ + НРО₄^2-↔ Н₂РО₄^-

Н₂О + СО₂ + (Prot)^-↔ НРrot + НСО₃^-   Н₂О + СО₂ + НРО₄^2-↔ Н₂РО₄^- + НСО₃^-

Н₂СО₃ + (Prot)^-↔ НРrot + НСО₃^-       Н₂СО₃ + НРО₄^2-↔ Н₂РО₄^- + НСО₃^-

В легких кровь очищается от НСО₃^- за счет превращения его в углекислый газ и удаление из организма. Нейтрализация кислых продуктов НРrot и Н₂РО₄^- в соответствующие им буферные основания (Prot)^- и НРО₄^2- происходит при очищении крови в почках, при этом часть фосфатов удаляется с мочой. 
 
 
 
 
 

Патологические  явления  

Все буферные системы  организма характеризуются отношением [ акцептора протона]\ [ донор протона]=4:20, т.е. их буферная емкость по кислоте больше , чем буферная емкость по основанию. Это отношение находиться в соответствии с особенностями метаболизма человеческого организма, образующего больше кислотных продуктов, чем основных. Поэтому важным показателем для физиологических сред является кислотная буферная емкость. При заболевании органов дыхания, кровообращения, печени, желудка, почек, при отравлениях, голодании, диабете, ожоговой болезни и т.п.может наблюдаться уменьшение или увеличение кислотной буферной емкости по сравнению с нормой, т.е. патологические явления: ацидоз и алкалоз. 

Ацидоз  – это уменьшение кислотной буферной емкости физиологической системы по сравнению с нормой.

Алкалоз это увеличение кислотной буферной емкости физиологической система по сравнению с нормой.

Причинами ацидоза  и алкалоза могут быть или увеличение содержания кислот, или уменьшение содержания буферных оснований в системы по сравнению с нормой.

Ацидоз и алкалоз  могут быть экзогенного и эндогенного характера. Экзогенный ацидоз возникает при употреблении пищи с избыточным содержание кислот ( лимонной, бензойной, уксусной), а также лекарственных средств, трансформация которых в организме способствует понижению рН среды. Экзогенный алкалоз в основном возникает при поступлении в организм лекарств или других веществ, способствующих повышению рН среды, например соды, ацетата калия. Эндогенный ацидоз или алкалоз возникает при нарушении протолитического баланса в организме вследствие нарушения соотношений скоростей синтеза и выведения тех или иных кислот или  оснований.

Для характеристики кислотно-основного состояния крови  в физиологии и медицине используются следующие метаболические показатели: величина рН плазмы и цельной крови, парциальной напряжение ( давление) углекислоты p(СО₂) содержание гидрокарбоната в плазме крови, содержание буферных оснований в плазме крови ВВ, избыток или дефицит буферных оснований в крови ВЕ.

Величина  рН плазмы крови – фактическая величина водородного показателя плазмы артериальной крови при 37⁰ С. Физиологические пределы 7,35<рН>7,45.

Парциальное напряжение углекислоты  p(СО₂) – парциальное давление СО₂ над кровью, находящейся в равновесии с растворенным в плазме СО₂ при   37⁰ С.

Содержание  гидрокарбоната в  плазме крови в  норме с(НСО₃^-) = (24,4  3) моль/л

Содержание  буферных оснований  в плазме крови  (ВВ) – нормальное значение для плазмы ВВ =(42  3) моль/л

Избыток или дефицит буферных оснований в плазме крови (ВЕ) характеризует разницу между фактическим содержание буферных оснований в крови у исследуемого человека и значение ВВ в норме, равным 42 ммоль/л. 

Метаболический  ацидоз характеризует избытком нелетучей кислоты или дефицитом гидрокарбонат –аниона в межклеточной жидкости.

Причины: нарушение кровообращения, кислородное голодание тканей, диарея, нарушение выделительной функции почек, диабет. 

Метаболический  алкалоз характеризуется удалением молекул кислот или накоплением буферных оснований, включая содержание гидрокарбонат –аниона в межклеточной жидкости.

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 углекислого газа.

Причины: заболевания органов дыхания, гиповентиляция легких, угнетение дыхательного центра некоторыми препаратами, например барбитуратами. 

Респираторный ( газовый) алкалоз  характеризуется повышенной скоростью вентиляций легких по сравнению о скоростью образования метаболического углекислого газа.

Причины: вдыхание разреженного воздуха, чрезмерное возбуждение дыхательного центра вследствие поражения мозга, гипервентиляция легких, развитие тепловой одышки.   
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Заключение 

В заключение следует  отметить, что в организме человека вследствие процессов дыхания и  пищеварения происходит постоянное образование друз противоположностей: кислот и оснований, причем преимущественно слабых, что обеспечивает равновесных характер протолитическим   процессам, протекающим в организме. В то же время в организме постоянно выводятся кислотно- основные продукт, в основном через легкие и почки. За счет сбалансированности процессов поступления и выведения кислот и оснований, а так же счет равновесного характера протолитических процессов, определяющих взаимодействие этих двух противоположностей, в организме поддерживается состояние протолитического (кислотно- основного)  гомеостаза.