Типы буферных систем

Буферные системы

Функциональное состояние живых организмов неразрывно связа-но с постоянством активной реакции среды тканей, органов и ряда биологических жидкостей (крови, слюны, желудочного сока и др.), определяемой водородным показателем (рН). Состояние кислотно-основного равновесия, соответствующее норме, называется протоли-тический гомеостаз. Смещение протолитического равновесия в кис-лую область (снижение рН) вызывает ацидоз, в щелочную (повыше-ние рН) - алкалоз. Возникновение этих отклонений может быть выз-вано разными причинами.

Например, в процессе метаболических превращений в клетках организма образуются кислоты (угольная, серная, фосфорная, молочная и др.) и основания (аммиак, азотистые основания). Выделе-ние этих веществ в количествах, превышающих допустимую норму, может привести к ацидозу или алкалозу.

В процессе тканевого дыхания в организме высвобождается большое количество углекислого газа. Транспорт СО₂ осуществля-ется кровью, которая представляет собой одну из важнейших внут-ренних сред организма и характеризуется определенным диапазоном колебаний рН – от 7,37 до 7,45 со средней величиной 7,38-7,40. Даже небольшие отклонения рН крови от нормы свидетельствуют о патологических нарушениях метаболизма. Величины рН крови ниже 6,8 и выше 7,8 несовместимы с жизнью.

Присутствие кислотных оксидов (таких как СО₂) может вызвать сдвиг значений рН раствора в область более низких значений, что в данном случае может привести к серьезным физиологическим нару-шениям. Действительно, вопреки распространенному мнению, дли-тельное пребывание человека в замкнутом пространстве приводит к удушью и гибели не из-за недостатка кислорода, а из-за избытка СО₂.

Однако, присутствие в крови допустимых концентраций кислот, оснований или углекислого газа не вызывает нарушений кислотно-основного гомеостаза. Это означает, что в организме присутствуют системы, способные поддерживать концентрацию ионов водорода на заданном уровне. Таких систем в организме человека три: дыхатель-ная система (легкие), выделительная система (почки) и комплекс буферных систем.

Действительно, от кислотных оксидов (CO₂) организм освобож-дается благодаря процессу дыхания, а нелетучие кислоты и основа-ния выводятся через почки с мочевыведением. Однако эти физиоло-гические процессы протекают медленно, быстрая же нейтрализация этих веществ и поддержание постоянства pH в норме осуществляется за счет физико-химических процессов, среди которых главная роль принадлежит протолитическим равновесиям в буферных системах биологических сред организма.

Типы буферных систем

Буферные системы (буферы) – это равновесные системы, способные поддерживать постоянство рН при разбавлении раствора или при добавлении к нему некоторого количества сильной кислоты или щелочи. Эта способность буферных систем называется буфер-ным действием.Растворы, содержащие одну или несколько буфер-ных систем называются буферными растворами.Интервал значений рН, в котором система проявляет буферные свойства, называется зоной буферного действия.

Буферные растворы применяются для сохранения активной реакции среды на определенном уровне, если тот или иной процесс (например, выращивание культуры бактерий, проведение фермента-тивной реакции и т.п.) должен быть проведен при постоянном значении рН.

Буферные системы могут быть двух типов. Некоторые примеры буферных систем и их характеристики приведены в таблице 1.

В биологических объектах буферные системы могут быть также образованы из ионов и молекул амфолитов, например, аминокислот-ные и белковые буферные системы.

В водных растворах a-аминокислоты присутствуют в виде равно-весной смеси биполярного иона, катионной и анионной форм:

Таблица 1. Типы буферных систем.

Рис.1. Буферные системы на основе амфолитов.

Соотношение между этими формами зависит от pH среды. В сильнокислых средах (pH = 1-2) преобладают катионные формы, в сильнощелочных (pH = 13-14) - анионные.

Полностью протонированная a-аминокислота (катионная форма), не содержащая ионогенных групп в радикале, с позиций теории Бренстеда является двухосновной кислотой, диссоциация которой описывается при помощи двух констант: характеризует диссоци-ацию карбоксильной группы, - протонированной аминогруппы.

Значение pH, соответствующее наибольшей концентрации бипо-лярного иона, называется изоэлектрической точкой (pI). В общем случае величину pI вычисляют по формуле:

,

(1)

где n - максимальное число положительных зарядов в полностью протонированной форме.

Для аминокислот, не содержащих ионогенных групп в радикале, величину pI вычисляют по формуле:

(2)

Пример 1. Рассчитать величину pI аргинина, если для этой a-аминокислоты: = 2,2; = 9,0; = 12,6.

Решение.

Полностью протонированная форма аргинина выглядит так:

Видно, что n = 2. Поэтому:

Растворы аминокислот с pH = pI не являются буферными. Они начинают проявлять буферное действие, когда к ним добавляют некоторое количество кислоты или щелочи. При этом образуется смесь двух форм белка - «белок-кислота» и «белок-основание» (рис.1). Из рис. 1. видно, что при pH < pI растворы белков и аминокислот могут проявлять свойства буферных систем I типа, а при pH > pI - II типа.