Буферные системы организма

В поддержании постоянства активной реакции среды организма (изогидрии) важную роль играют буферные системы. Буферными называются системы или растворы, обладающие свойством сохранять рН на постоянном уровне при добавлении небольших количеств кислот или щелочей, так при разведении. По составу различают следующие типы буферных систем:

Кислотные:

бикарбонатный H₂CO₃

NaHCO₃

ацетатный CH₃COOH

CH₃COONa

фосфатный KH₂PO₄

K₂HPO₄

оксигемоглобиновый HHb/HhbO₂

Основные: хлоридноаммиачный (аммиачный) NH₄OH

NH₄Cl

Амфотерные (амфолитные): белковыйNH₃⁺ - R – COO^-

Каждая из буферных систем характеризуется определенной активной реакцией среды, определяемой основным уравнением буферных систем.

Ниже приведены уравнения для расчета кислотности и основности среды для кислотных буферных систем:

[H⁺] = K_к Cк

Cс

Для основных буферных систем:

[OH^-] = K_о Cо

Сс

где K_к и К_о - константы диссоциации слабой кислоты и основания, Ск, Со, Сс - концентрации кислоты, основания и соли.

Расчет рН буферных систем осуществляется по уравнениям Гендерсона – Гассельбаха для кислотных буферных систем:

pH = pK_к – lg Cк

Cc

Для основных буферных систем:

pH = 14 – pK_о + lgСо

Cc

Из уравнений Гендерсона-Гассельбаха следует, что рН буферных систем зависит: 1. от природы слабого электролита, т.е. его константы диссоциации; 2. от соотношения компонентов буферного раствора.

рН буферных систем практически не зависит от разведения, т.к. в уравнение Гендерсона - Гассельбаха входит соотношение компонентов.

Механизм буферного действия можно объяснить, исходя из теории электролитической диссоциации. Любая буферная система состоит из слабого электролита (СН₃СООН) и сильного электролита - его соли (СН₃СООNa).

При добавлении сильных кислот происходит взаимодействие солевой части буфера:

CH₃COONa + HCl → CH₃COOH + NaCl

Происходит замещение сильной кислоты на слабую. При добавлении щелочи реагирует второй компонент буфера:

CH₃COOH + NaOH → CH₃COONa + H₂O

Происходит связывание щелочи в слабый электролит - воду.

Способность буферных систем удерживать pH на определенном уровне является ограниченной. Смещение рН буферного раствора зависит от количества добавляемых сильных кислот и щелочей и изменение вследствие этого концентраций компонентов. Способность буферной системы противодействовать изменению рН определяется буферной емкостью. Буферная емкость равна количеству сильной кислоты или щелочи, при добавлении которых к 1литру буферного раствора его рН изменится на единицу. Буферная емкость вычисляется по формуле:

C ∙ V

B = ---------

∆pH∙W

где: С и V - концентрация и объем сильной кислоты или щелочи, ΔрН - изменение рН, W - объем буферного раствора

Наибольшей буферной емкостью обладают концентрированные буферные растворы с соотношением концентрации компонентов, равным единице, т.е. растворы с рН = рК (для кислых буферных систем) и с рН = 14 - рК (для основных). Возьмем две буферные системы с соотношением компонентов, равным единице: Cк/Сс = 10/10 и Ск/Сс = 100/100.

Добавим по 5 моль Н⁺; тогда соотношение компонентов станет равным:

Ск/Сс = 15/5 =3 и Ск/Сс = 105/95 ≈ 1,1.

В более концентрированном буферном растворе рН изменится в меньшей степени, чем в более разбавленном. Если взять две буферные системы с соотношением компонентов:

Ск/Сс = 80/20 = 4 и Ск/Сс = 50/50 = 1,

добавить в обе системы по 10 моль Н⁺, то соотношение компонентов станет равным:

Ск/Сс = 90/10 = 9 и Ск/Сс = 60/40 = 1,5.

То есть буферная система с соотношением компонентов, равным единице, более устойчива. В целом, буферная емкость определяется природой буферной системы, соотношением компонентов, концентрацией компонентов буферной системы.

В процессе обмена веществ в организме образуются большие количества кислых продуктов - у человека в сутки 20-30 моль сильных кислот. Тем не менее, рН в разных точках организма практически не меняется. Изогидрия органов и тканей организма поддерживается работой трех основных механизмов регуляции кислотно-основного равновесия: буферного действия буферных систем организма,работы органов дыхания,работы выделительных систем.

Из буферных систем организма наибольший интерес представляют буферные системы крови. К ним относятся буферная система гемоголобин-оксигемоглобин (HHb/HhbO₂), бикарбонатная (H₂CO₃/NaHCO₃), фосфатная (NaH₂PO₄/Na₂HPO₄) и белковая (NH₃⁺ - R – COO^-).

Каждая из них играет определенную роль в регуляции кислотно-основного равновесия, при этом буферные системы срабатывают мгновенно. Образующийся сдвиг рН в кислую область (ацидоз) или щелочную (алкалоз) регулируется при участии бикарбонатного буфера органами дыхания за счет регуляции концентрации СО₂ в крови. Изменение концентраций компонентов буферных систем организма регулируется органами выделения (почками, потовыми и слюнными железами, кишечником и т.д.).