Буферные системы организма.

Бикарбонатный буфер.

Он составляет 53 % буферной ёмкости и представлен:

Н₂СО₃

NaHCO₃ Соотношение 1: 20

Бикарбонатный буфер представляет собой основную буферную систему плазмы крови; он является системой быстрого реагирования, так как продукт его взаимодействия с кислотами СО₂ – быстро выводится через легкие. Помимо плазмы, эта буферная система содержится в эритроцитах, интерстициальной жидкости, почечной ткани.

Механизм действия.

1. В случае накопления кислот в крови уменьшается количество НСО₃^- и происходит реакция: НСО₃^- + Н⁺ ↔ Н₂СО₃ ↔ Н₂О + СО₂↑. Избыток удаляется лёгкими. Однако значение рН крови остаётся постоянным, так как увеличивается объём лёгочной вентиляции, что приводит к уменьшению объёма СО₂

2. При увеличении щелочности крови концентрация НСО₃^- увеличивается: Н₂СО₃ + ОН^- ↔ НСО₃^- + Н₂О.

Это приводит к замедлению вентиляции лёгких, поэтому СО₂ накапливается в организме и буферное соотношение остаётся неизменным.

Гемоглобиновый буфер

Составляет 35 % буферной ёмкости.

Главная буферная система эритроцитов, на долю которой приходится около 75% всей буферной ёмкости крови. Участие гемоглобина в регуляции рН крови связано с его ролью в транспорте кислорода и СО₂. Гемоглобиновая буферная система крови играет значительную роль сразу в нескольких физиологических процессах: дыхании, транспорте кислорода в ткани и в поддержании постоянства рН внутри эритроцитов, а в конечном итоге – в крови.

Она представлена двумя слабыми кислотами – гемоглобином и оксигемоглобином и сопряженными им основаниями – соответственно гемоглобинат- и оксигемоглобинат-ионами:

HHb ↔ H⁺ + Hb^-

HHbO₂ ↔ H⁺ HbO₂^-

Оксигемоглобин – более сильная кислота (рК_а = 6, 95), чем гемоглобин (рК_а = 8, 2). При рН = 7, 25 (внутри эритроцитов) оксигемоглобин ионизирован на 65%, а гемоглобин – на 10%, поэтому присоединение кислорода к гемоглобину уменьшает значение рН крови, так как при этом образуется более сильная кислота. С другой стороны, по мере отдачи кислорода оксигемоглобином в тканях значение рН крови вновь увеличивается.

Буферные свойства ННb прежде всего обусловлены возможностью взаимодействия кислореагирующих соединений с калиевой солью гемоглобина с образованием эквивалентного количества соответствующей калийной соли кислоты и свободного гемоглобина:

КНb + Н₂СО₃ ↔ КНСО₃ + ННb.

Образующийся гидрокарбонат (КНСО₃) уравновешивает количество поступающей Н₂СО₃, рН сохраняется, так как происходит диссоциация потенциальных молекул Н₂СО₃ и образовавшихся гемоглобиновых кислот.

Именно таким образом поддерживается рН крови в пределах нормы, несмотря на поступление в венозную кровь огромного количества СО₂ и других кислореагирующих продуктов обмена.

В капиллярах лёгких гемоглобин (ННb) поглощает кислород и превращается в HHbO₂, что приводит к некоторому подкислению крови, вытеснению некоторого количества Н₂СО₃ из бикарбонатов и понижению щелочного резерва крови, а в тканях отдает его и поглощает СО₂.

В лёгких: ННb + O₂ ↔ HHbO₂;

HHbO₂ + HCO₃^- ↔ HbO₂ + H₂O + CO₂ ↑

В тканях: HbO₂ ↔ Hb^- + O₂; Hb^- + Н₂СО₃ ↔ ННb + HCO₃^-

Кроме того, гемоглобиновый буфер является сложным белком и действует как белковый буфер.

Фосфатный буфер

Составляет 5 % буферной ёмкости. Содержится как в крови, так и в клеточной жидкости других тканей, особенно почек. В клетках он представлен солями К₂НРО₄ и КН₂РО₄, а в плазме крови и в межклеточной жидкости Na₂HPO₄ и NaH₂PO₄. Функционирует в основном в плазме и включает: дигидрофосфат ион Н₂РО₄^- и гидрофосфат ион НРО₄^2-.

Отношение [HPO₄ ^2- ]/[H₂PO₄^-] в плазме крови (при рН = 7, 4) равно 4: 1. Следовательно, эта система имеет буферную ёмкость по кислоте больше, чем по основанию.

Например, при увеличении концентрации катионов Н⁺ во внутриклеточной жидкости, например, в результате переработки мясной пищи, происходит их нейтрализация ионами НРО₄ ^2-:

Н ⁺ + НРО₄ ^2- ↔ Н₂РО₄ ^1-

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

При увеличении концентрации оснований в организме, например при употреблении растительной пищи, они нейтрализуются ионами Н₂РО₄ ^1-:

ОН ^‾ + Н₂РО₄ ^1- ↔ НРО₄ ^2- + Н₂О

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

Выведение тех или иных компонентов фосфатной буферной системы с мочой, в зависимости от перерабатываемой пищи, объясняет широкий интервал значений рН мочи – от 4, 8 до 7, 5. Фосфатная буферная система крови характеризуется меньшей буферной ёмкостью, чем гидрокарбонатная, из-за малой концентрации компонентов крови. Однако эта система играет решающую роль не только в моче, но и в других биологических средах – в клетке, в соках пищеварительных желез, в моче.

Белковый буфер

Составляет 5 % буферной ёмкости. Он состоит из белка-кислоты и его соли, образованной сильным основанием.

Pt – COOH - белок-кислота

Pt – COONa – белок-соль

1. При образовании в организме сильных кислот они взаимодействуют с солью белка. При этом получается эквивалентное количество белок-кислоты: НС1 + Pt-COONa ↔ Pt-COOH + NaCl. По закону разбавления В.Оствальда увеличение концентрации слабого электролита уменьшает его диссоциацию, рН практически не меняется.

2. При увеличении щелочных продуктов они взаимодействуют с

Pt-СООН: NaOH + Pt-COOH ↔ Pt-COONa + H₂O

Количество кислоты уменьшается. Однако концентрация ионов Н⁺ увеличивается за счет потенциальной кислотности белок-кислоты. поэтому практически рН не меняется.

Белок – это амфотерный электролит и поэтому проявляет собственное буферное действие.

Рассмотрим взаимодействие буферных систем в организме по стадиям:

1. В процессе газообмена в легких кислород поступает в эритроциты, где протекает реакция:

ННb + O₂ ↔ HHbO₂ ↔ Н⁺ + HbO₂^-

2. По мере перемещения крови в периферические отделы кровеносной системы происходит отдача кислорода ионизированной формой HbO₂^-

HbO₂^-↔ Нb^- + О₂

Кровь при этом из артериальной становится венозной. Отдаваемый в тканях кислород расходуется на окисление различных субстратов, в результате чего образуется СО₂, большая часть которого поступает в эритроциты.

3. В эритроцитах в присутствии карбоангидразы со значительной скоростью протекает следующая реакция:

СО₂ + Н₂О ↔ Н₂СО₃ ↔ Н⁺ + НСО₃^-

4. Образующийся избыток протонов связывается с гемоглобинат-ионами:

Н⁺ + Нb^- → HHb

Связывание протонов смещает равновесие реакции стадии (3) вправо, вследствие чего концентрация гидрокарбонат ионов возрастает и они диффундируют через мембрану в плазму. В результате встречной диффузии ионов, отличающихся кислотно-основными свойствами (хлорид-ион протолитически неактивен; гидрокарбонат ион в условиях организма является основанием), возникает гидрокарбонатно-хлоридный сдвиг. Этим объясняется более кислая реакция среды в эритроцитах (рН = 7, 25) по сравнению с плазмой (рН = 7, 4).

5. Поступающие в плазму гидрокарбонат-ионы нейтрализуют накапливающийся там избыток протонов, возникающий в результате метаболических процессов:

НСО₃^- + Н⁺ ↔ Н₂СО₃ ↔ Н₂О + СО₂

6. Образовавшийся СО₂ взаимодействует с компонентами белковой буферной системы:

СО₂ + Рt-NH₂ ↔ Pt-NHCOOH ↔ H⁺ + Pt-NHCOO^-

7. Избыток протонов нейтрализуется фосфатным буфером:

Н⁺ + НРО₄^- ↔ Н₂РО₄^-

8. После того как кровь вновь попадает в легкие, в ней увеличивается концентрация оксигемоглобина (стадия 1), который реагирует с гидрокарбонат-ионами, не диффундировавшими в плазму:

НСО₃^- + ННbО₂ ↔ НbО₂^- + СО₂ + Н₂О

Образующийся СО₂ выводится через легкие. В результате уменьшения концентрации НСО₃^- ионов в этой части кровеносного русла наблюдаются их диффузия в эритроциты и диффузия хлорид-ионов в обратном направлении.

9. В почках также накапливается избыток протонов в результате реакции:

СО₂ + Н₂О ↔ Н₂СО₃ ↔ Н⁺ + НСО₃^-,

который нейтрализуется гидрофофат-ионами и аммиаком (аммиачный буфер): H⁺ + NH₃ ↔ NH₄⁺

Таким образом, гемоглобиновая система участвует в двух процессах:

· Связывание протонов, накапливающихся в результате метаболических процессов;

· Протонирование гидрокарбонат-ионов с последующим выделением СО₂

Гемоглобиновую буферную систему можно рассматривать как одно из важнейших звеньев в транспорте СО₂ из тканей в легкие.

Следует отметить, что на поддержание постоянства рН различных жидких систем организма оказывают влияние не столько буферные системы, сколько функционирование ряда органов и систем: легких, почек, кишечника, кожи и др.