z.pdf
(
780 KB
)
Pobierz
WSTĘP DO RÓWNOWAGI KWASOWO-ZASADOWEJ I WODNO-
ELEKTROLITOWEJ
1.
RÓWNOWAGA KWASOWO – ZASADOWA
1.1.
Definicja, główne produkty kwasowe i zasadowe przemiany materii
Równowaga kwasowo-zasadowa jest to ogół mechanizmów odpowiedzialnych za utrzymanie
optymalnego stężenia jonów wodorowych w przestrzeniach wewnątrz- i zewnątrz-
komórkowych. W warunkach prawidłowych stężenie to w komórkach wynosi przeciętnie
100 nmol/l (pH =7), a w płynie pozakomórkowym 405 nmol/l (pH = ok. 7,4).
W organizmach żywych kwasowymi produktami przemiany materii są głównie tzw. "kwasy
lotne", czyli kwas węglowy reprezentowany przez swój bezwodnik CO
2
, oraz „kwasy
nielotne”, czyli słabe kwasy organiczne (mlekowy, acetooctowy) i nieorganiczne (siarkowy,
fosforowy). Kwasy te oddysocjowują protony (jony H
+
). Naturalnymi zasadami, a więc
akceptorami jonów H
+
, są w organizmach żywych aniony HCO
3
-
, HPO
4
2-
oraz aniony
białczanowe. Na zachowanie równowagi kwasowo-zasadowej organizmu wpływają
przemiany wewnątrz- i zewnatrzkomórkowe, w których uczestniczą odpowiednie bufory
(głównie bufory krwi), czynność płuc (wydalanie CO
2
) oraz nerek (produkcja HCO
3
-
, NH
4
+
i
H
2
PO
4
-
).
1.2. Roztwory buforowe i przykłady ich działania.
Równanie Hendersona-Hasselbalcha. Pojemność buforowa.
Roztwory buforowe (bufory) są to mieszaniny zawierające następujące składniki:
słaby kwas i jego sól z mocną zasadą,
słabą zasadę i jej sól z mocnym kwasem,
sole kwasu wieloprotonowego o różnej rzędowości.
Właściwością buforów jest zdolność utrzymywania względnie stałego stężenia jonów
wodorowych mimo wprowadzenia do nich pewnej objętości mocnego kwasu, mocnej zasady
lub ich rozcieńczenia. Roztwory buforowe odgrywają ważną rolę w organizmach żywych
utrzymując pH płynów ustrojowych w określonych granicach, niezależnie od zachodzących
przemian metabolicznych.
Przykładem buforu opartego na słabym kwasie i jego soli jest powszechnie stosowany w
układach chemicznych
bufor octanowy
zawierający kwas octowy CH
3
COOH i octan sodu,
będący źródłem sprzężonej zasady CH
3
COO
-
. Działanie tego buforu przedstawiają
następujące reakcje:
CH
3
COOH CH
3
COO
-
+ H
+
+
OH
-
z zasady
↓
H
2
O
CH
3
COONa CH
3
COO
-
+ Na
+
+
H
+
z kwasu
↓
CH
3
COOH
1
lub poniższe reakcje:
CH
3
COOH + OH
-
→ CH
3
COO
-
+ H
2
O (po dodaniu zasady)
CH
3
COO
-
+ H
+
→ CH
3
COOH (po dodaniu kwasu)
Przykładem buforu opartego na słabej zasadzie i jej soli jest inny, powszechnie stosowany
w układach chemicznych,
bufor amoniakalny
zawierający wodorotlenek amonu NH
4
OH
i chlorek amonu, będący źródłem sprzężonego kwasu NH
4
+
. Działanie tego buforu
przedstawiają następujące reakcje:
NH
3
+ H
2
O NH
4
OH NH
4
+
+ OH
-
+
H
+
z kwasu
↓
H
2
O
NH
4
Cl → NH
4
+
+ Cl
-
+
OH
-
z zasady
↓
NH
4
OH
lub poniższe reakcje:
NH
4
OH + H
+
→ NH
4
+
+ H
2
O (po dodaniu kwasu)
NH
4
+
+ OH
-
→ NH
4
OH (po dodaniu zasady)
Działanie buforów wynika z równoczesnej obecności w roztworze wodnym słabego kwasu
(HA) i sprzężonej z nim zasady Brönsteda (A
-
), czyli składników stanowiących układ
buforujący. Słaby kwas obecny w układzie buforującym dysocjuje wg równania:
HA H
+
+ A
-
Stała jego dysocjacji ma postać:
[H
+
] [A
-
]
[HA]
K =
Wobec tego: [HA]
[H
+
] = K ———
[A
-
]
Po logarytmowaniu i zmianie znaku:
[HA]
- log [H
+
] = -log K - log ———
[A
-
]
równanie przyjmuje postać:
[A
-
]
pH = pK + log ———
2
[HA]
Jest to ogólna postać
równania Hendersona-Hasselbalcha
na obliczanie pH układu
buforowego zawierającego słaby kwas i sprzężoną z nim zasadę Brönsteda, przy czym jony
A
-
w układzie buforowym nie pochodzą tylko z dysocjacji słabego kwasu, lecz przede
wszystkim z obecnej w roztworze sprzężonej z nim zasady buforowej A
-
.
Wielkością charakteryzującą bufor jest jego
pojemność buforowa
. Określa ona stosunek
dodanej do buforu ilości kwasu lub zasady do osiągniętej przez to zmiany pH. Roztwór
buforowy posiada pojemność równą 1, jeżeli dodanie 1 mola jonów H
+
lub OH
-
do 1 litra
buforu spowoduje zmianę pH o 1. Oblicza się ją ze wzoru:
=
C
pH
gdzie ∆C oznacza liczbę moli jonów H
+
OH
-
lub
dodanych
do
roztworu
w przeliczeniu na 1 litr buforu.
Pojemność buforowa jest największa, gdy pH=pK, czyli wtedy, gdy [HA]=[A
-
]. Przyjmuje
się, że roztwory buforowe spełniają swoją funkcję w zakresie pH=pK1.
1.3. Działanie podstawowych buforów przestrzeni zewnątrz- (PZK) i wewnątrzkomórko-
wej (PWK).
Podstawowymi buforami organizmu człowieka są:
wodorowęglanowy,
hemoglobinianowy,
fosforanowy,
białczanowy.
Ich rozmieszczenie i udział w zabezpieczeniu pojemności buforowej krwi
są następujące:
Bufor
Działanie
w przestrzeni
Udział
-owy w
pojemności buforowej krwi
Wodorowęglanowy
PZK
, PWK 70
Hemoglobinianowy
PWK
21
Białczanowy PZK,
PWK
6
Fosforanowy
PWK
, PZK 3
(pogrubione skróty wskazują na przewagę działania buforu w danej przestrzeni)
1.3.1. Działanie buforu wodorowęglanowego
(wiązanie jonów kwasowych i zasadowych):
- składnik kwasowy -sprzężona z nim zasada
buforowa
[800]
[1]
[0,03]
[0,03]
CO
2
+H
2
O H
2
CO
3
H
+
+ HCO
3
-
HCO
3
-
+ OH
-
+ H
+
H
2
O
H
2
O + CO
2
lub H
2
CO
3
+ OH
-
HCO
3
-
+H
2
O
3
W organizmie człowieka zachodzi wiązanie jonów H
+
pochodzenia metabolicznego z jonami
HCO
3
-
zgodnie z mechanizmem przedstawionym powyżej (działanie sprzężonej zasady
buforowej). Ponieważ organizm człowieka nie produkuje jonów OH
-
, działanie składnika
kwasowego tego buforu polega na wiązaniu innych jonów o charakterze zasadowym
w sensie teorii Brönsteda. Liczby umieszczone w nawiasach kwadratowych nad reakcją
odzwierciedlają proporcje, w jakich poszczególne związki lub jony występują w stanie
równowagi w roztworze wodnym (przy założeniu, że stężenie H
2
CO
3
wynosi 1). Jak wynika
z ich wartości, równowaga tej reakcji przesunięta jest bardzo silnie w lewo.
Równanie Hendersona-Hasselbalcha dla buforu wodorowęglanowego przyjmuje postać:
pH = 6,1 + log
[HCO
3
-
]
[CO
2
]
gdzie 6,1 jest wartością pK (ujemny logarytm z iloczynu stałych obydwu równowag
zachodzących w składniku kwasowym tego buforu) w warunkach fizjologicznych w tempe-
raturze 37
0
C.
W krwi tętniczej w temperaturze 37
o
C stężenie jonów H
+
waha się w granicach 35-45 nmol/l,
co odpowiada zakresowi pH 7,45-7,35. W stanie równowagi stałe pH utrzymywane jest dzięki
zachowaniu odpowiedniego stosunku stężeń molowych kwasu węglowego (właściwie CO
2
)
i stężenia jonu HCO
3
-
, wynoszącego 1:20, a więc:
20
pH = 6,1 + log
l
pH = 6,1 + 1,3
pH = 7,4
Gdy ten stosunek stężeń jest zachowany, pH krwi utrzymuje się w zakresie normy.
W płynach biologicznych nie dokonuje się pomiaru stężenia CO
2
, lecz jego prężności (pCO
2
).
Zgodnie z prawem Henry'ego (
prawo o rozpuszczalności gazów nie wchodzących w reakcje z
cieczą w stałej temperaturze
) stężenie gazu rozpuszczonego w cieczy jest proporcjonalne do
prężności gazu nad cieczą. Stężenie CO
2
rozpuszcznego we krwi wyraża się więc jako
prężność oznaczającą ciśnienie gazowego CO
2
, z którym CO
2
rozpuszczony we krwi
pozostaje w równowadze.
Ponieważ [CO
2
rozp.
] = pCO
2
pęcherzykowe
, ( oznacza współczynnik rozpuszczalności CO
2
w osoczu), wobec tego:
[HCO
3
-
]
pCO
2
pH = 6,1 + log
.
przy czym:
=0,030 dla przeliczenia prężności wyrażonej w mmHg,
=0,226 dla przeliczenia prężności wyrażonej w kPa,
gdy stężenie CO
2
wyrażone jest w mmol/l.
Licznik wyrażenia w równaniu Hendersona-Hasselbalcha przedstawia składową nieoddecho-
wą (metaboliczną), a mianownik składową oddechową. W warunkach fizjologicznych przy
prężności pCO
2
w powietrzu pęcherzykowym równej 5,32 kPa (40 mmHg), stężenia CO
2
i HCO
3
-
we krwi prawidłowej wynoszą odpowiednio:
[CO
2rozp
]=40 mmHg
0,030=1,2 mmol/l,
[HCO
3
-
]=26 mmol/l.
4
Wewnątrzkomórkowe procesy metaboliczne (katabolizm białek i aminokwasów, przemiany
kwasów tłuszczowych i węglowodanów) są odpowiedzialne za dobową biosyntezę produktów
kwasowych rzędu 50-100 mmol H
+
. Podczas działania buforu wodorowęglanowego (rycina
2.1),
H
+
wiązane są przez HCO
3
-
, a nadmiar powstającego CO
2
jony
zostaje
przetransportowany przez krew i wydalony z organizmu przez płuca.
+
H
2
O
H
-
CO
2
HCO
3
H
2
CO
3
CO
2
(gazowy)
(rozp. we krwi)
+
H
2
O
H
Krew Płuca
Rys. 2.1. Schemat działania buforu wodorowęglanowego.
Powstający CO
2
i nielotne kwasy wytwarzane w organizmie wydalane są przez płuca i nerki.
Pozostałe narządy są w stanie istotnie modyfikować równowagę kwasowo-zasadową, nie
mogą jednak spełniać funkcji wydalniczych. Wydalanie CO
2
i H
+
wspomagają również inne
bufory organizmu, których działanie zostanie omówione w dalszej części rozdziału.
1.3.2. Rola hemoglobiny w regulacji równowagi kwasowo-zasadowej
Główną funkcją hemoglobiny
(Hb) jest transport O
2
z płuc do tkanek i CO
2
z tkanek do płuc.
Procesy te ściśle wiążą się ze zdolnością hemoglobiny do oddawania i przyłączania jonów H
+
.
Hemoglobina wiążąc O
2
oddaje jony H
+
i zachowuje się jak kwas. Tracąc O
2
przyłącza
jednocześnie jony H
+
, wykazując właściwości zasady buforowej:
H-Hb + O
2
H-HbO
2
HbO
2
-
+ H
+
Hemoglobina składa się z czterech podjednostek białkowych i wiąże 4 czasteczki O
2
uwalniając jednocześnie 2H
+
, jednak dla uproszczenia przyjęto powyższy zapis reakcji.
Hemoglobina zawiera 38 reszt histydynowych, których pierścienie imidazolowe biorą udział
w wiązaniu i uwalnianiu jonów wodorowych. Duża ilość reszt histydynowych sprawia, że
hemoglobina ma większe działanie buforujące niż inne białka osocza krwi.
Oksyhemoglobina HHbO
2
jest silniejszym kwasem niż hemoglobina HHb:
H-HbO
2
H
+
+ HbO
2
-
pK = 6,62 7,40 = 6,62 + log
[HbO
2
-
]
[H-HbO
2
]
a po utracie tlenu:
[Hb
-
]
H-Hb H
+
+ Hb
-
pK = 8,18 7,40 = 8,18 + log
[H-Hb]
Ogniwem umożliwiającym hemoglobinie udział w buforowaniu krwi jest bufor
wodorowęglanowy, gdyż jego składniki swobodnie przenikają przez błonę krwinki czerwonej
i pozostają w dynamicznej równowadze z hemoglobiną.
5
Plik z chomika:
MeGi__
Inne pliki z tego folderu:
tki.pdf
(567 KB)
sy_i_peptydy.pdf
(816 KB)
oenzymy_3.pdf
(2532 KB)
oenzymy_2.pdf
(2290 KB)
oenzymy_1.pdf
(522 KB)
Inne foldery tego chomika:
Anatomia Dla Początkujących
Dietetyka
Zgłoś jeśli
naruszono regulamin