БУФЕРНІ СИСТЕМИ (буфери)

Буферні системи (буфери) - сукупність кількох речовин у розчині, що повідомляють останньому буферні властивості, тобто здатність чинити опір зміні активної реакції середовища, або водневого показника (pH), при розведенні розчину або при додаванні до нього деякої кількості кислоти або лугу.

Буферні системи широко поширені в природі: вони знаходяться у водах світового океану, грунтових розчинах і особливо в організмах, де діють як регулятори, що підтримують активну реакцію середовища (див.) на певних рівнях, необхідних для нормального перебігу життєвих процесів (див. Кислотно-лужне) рівновагу).

Буферні системи, як правило, є сумішшю слабкої кислоти з її сіллю, утвореної сильною основою (напр., оцтової до-ти CH₃COOH з ацетатом натрію CH₃COONa), або суміш слабкої основи з його сіллю, утвореною сильною кислотою (напр., гідроксиду амонію NH₄OH з хлористим амонієм NH₄Cl). Багато важливих Б. с., що містяться в тканинних рідинах і тканинах організмів, відносяться до систем першого типу.

Співвідношення, за допомогою якого можна розрахувати [H + ] або pH в розчині, що містить Б. с.. знаючи склад останньої і концентрацію її компонентів, називається рівнянням Б. с. У водних розчинах компоненти ацетатної Би. піддаються електролітичній дисоціації:

За законом діючих мас константа дисоціації оцтової к-ти дорівнює

де [H + ], [CH₃COO - ], [CH₃COOH] - рівноважні концентрації водневих та ацетатних іонів та недисоційованих молекул оцтової кислоти в Би. с. відповідно.З рівняння (3) отримуємо

Оскільки ступінь дисоціації слабкої оцтової к-ти значно знижується у присутності її солі, а сіль як сильний електроліт дисоційована націло, то [CH₃COO - ] та [CH₃COOH] можна замінити практично ним рівними, але більш легко визначуваними величинами - аналітичними концентраціями ацетату натрію [сіль] та оцтової кислоти [кислота] відповідно. Тоді з рівняння (4) випливає:

[H + ] = K [кислота]/[сіль], (5)

pH = pK + lg([сіль]/[кислота]), (6)

Рівняння (5) і (6) справедливі не тільки для ацетатного буфера, але і для будь-якої Б. с., Що являє собою суміш слабкої к-ти та її солі, утвореної сильною основою. Вони є наближеними, але цілком достатні багатьом практичних розрахунків. Для більш точних розрахунків величину [сіль] в рівняннях (5) і (6) слід помножити на здавався ступінь дисоціації солі а, яку для даної концентрації кожної солі знаходять у відповідних таблицях. Рівняння Би. с., що складається зі слабкої основи та її солі, утвореної сильною кислотою, мають такий вигляд:

де KH₂O - іонний добуток води,_осн — константа електролітичної дисоціації слабкої основи, [сіль] та [основа] — аналітичні концентрації основи та солі,

З рівнянь (5), (1) і (2) безпосередньо випливають найважливіші властивості Би. Так, з рівняння (5) слід, що pH розчину, що містить Би. с., Залежить тільки від величини константи дисоціації До слабкої кислоти і від величини відношення [кислота] : [сіль]. Т. до. при розведенні розчину До відповідно до закону діючих мас не змінюється, а величина відношення змінюється лише тією мірою, в якій змінюється здається ступінь дисоціації солі, то pH Би. с.при розведенні її практично залишається постійною. При додаванні до Б. с., напр. внаслідок практично повної дисоціації ацетату натрію. к-ти, зникає еквівалентна кількість ацетату натрію і pH буфера змінюється незначно — лише такою мірою, якою змінюється у своїй величина відносини [сіль] : [кислота] При додаванні до ацетатному буферу деякої кількості сильної лугу утворені нею іони OH - з'єднуються з H-іонами, що знаходяться в буфері, молекули вкрай слабкого електроліту - Води. Однак спад Н-іонів відразу поповнюється за рахунок подальшої дисоціації молекул оцтової к-ти (1), які в буфері є у великій кількості. ж кількості лугу до незабуференного розчину.

Серед буферних систем, що відіграють велику роль у збереженні сталості pH у тканинних рідинах організмів, в першу чергу слід відзначити білкові речовини, які, будучи типовими амфолітами (див.), поводяться як слабкі кислоти або слабкі основи і разом зі своїми солями утворюють Б. с., склад яких схематично можна представити так:

1) білок - слабка кислота:

2) білок - слабка основа:

БOH ⇄ Б + + OH-БА ⇄ Б + + А -

де Б - білок, М + - катіон лужного металу (Na + або K + ), А - аніон сильної кислоти (напр., Cl - ) У цільній крові ссавців бл. .гемоглобіном.

Велике значення в життєвих процесах має бікарбонатна буферна система, що складається з вугільної к-ти - H₂CO₃ і бікарбонату лужного металу - Na або K. Бікарбонатна Би. с. є одним із найважливіших буферів плазми крові. Рівняння бікарбонатної Би. с., зване рівнянням Гендерсона - Гассельбальха, має такий вигляд:

де [CO₂] - загальна молярна концентрація вільної вуглекислоти у вигляді H₂CO₃ та CO₂, а [бікарбонат] - загальна молярна концентрація всіх бікарбонатів, яка в плазмі крові приблизно в 18 разів більше, ніж [CO₂]. При t° 38° значення рК для плазми людини дорівнює 6,10.

Фосфатна Буферна система, що міститься в плазмі крові, а також у тканинних рідинах, є сумішшю одноосновних і двоосновних фосфатів лужних металів:

де М - лужний метал (К або Na). У цій Би. с. слабкою кислотою є однозарядний фосфатний іон H₂PO₄ - .

Бібліографія: Бейтс Р. Визначення pH, теорія та практика, пров. з англ., с. 94, Д., 1968, бібліогр.; Бладергрен В. Фізична хімія в медицині та біології, пров. з ньому., с. 190, М., 1951; Winters R. W., Engel K. a. Dell R. B. Acid base physiology in medicine, Cleveland - L., 1967.

XII Міжнародна студентська наукова конференція Студентський науковий форум – 2020

Завдяки респіраторним алкалозам та буферним системам крові механізми вироблення енергії та працездатності підтримуються протягом більш тривалого часу. Білки плазми через присутність кислотно-основних груп у білкових молекулах утворюють буферну систему, яка найбільш ефективна в діапазоні рН 7,2–7,4.

У крові чотири буферні системи: гемоглобін, бікарбонат, фосфат, білок.Кожна система складається з двох сполук – слабкої кислоти та солі цієї кислоти та сильної основи. Ефект буфера обумовлений зв'язуванням та нейтралізацією іонів, що надходять у відповідний склад буфера. У зв'язку з тим, що в природних умовах організм із більшою ймовірністю стикається з викидом у кров недоокислених продуктів метаболізму, антацидні властивості буферних систем переважають у порівнянні з антиосновними [3].

Зі всіх буферних систем велику частку становить бікарбонат. Досить потужний і мобільний. Його роль у підтримці параметрів КІР крові підвищена за рахунок зв'язку з диханням. Система складається з Н2СО3 та NaHCО3, які перебувають у відповідній залежності один від одного. [1]

Буферні системи починають діяти відразу ж при збільшенні або зниженні [Н + ], і, отже, є першою мобільною та ефективною системою для компенсації зсувів pH. Наприклад, буфери крові здатні усунути помірні зрушення CBS (кислотно-основні стани) протягом 10-40 с. Місткість та ефективність буферних систем крові дуже висока. Механізм дії та біологічне значення хімічних буферних систем полягає у перетворенні сильних кислот та сильних основ на слабкі. Ці реакції реалізуються як усередині, так і поза клітиною (у крові, внутрішньоклітинному, спинномозковому та інших рідких середовищах), але у найбільшому масштабі – у клітинах.

Розглянемо кожну з чотирьох вищезгаданих буферних систем:

Гідрокарбонатна буферна система є основним буфером крові та міжклітинної рідини. Він становить близько половини буферної ємності крові та понад 90% плазми та інтерстиціальної рідини. Бікарбонатний буфер позаклітинної рідини складається з суміші вуглекислоти – H2CO3 та гідрокарбонату натрію – NaHCО3.У клітинах до складу солі вуглекислоти входять калій та магній.

Фосфатна буферна система відіграє важливу роль у регуляції кислотно-основного стану в клітинах, особливо в канальцях нирок. Це з більш високої концентрацією фосфатів у клітинах проти позаклітинної рідиною (близько 8% від загальної буферної ємності). Фосфатний буфер і двох компонентів: лужного (Na H 2P O 4 ) і кислого (NaH2PО4).

Білкова буферна система є основним внутрішньоклітинним буфером. Він становить близько трьох чвертей буферної ємності внутрішньоклітинної рідини. Компонентами білкового буфера є слабо дисоціюючий білок з кислотними властивостями (білок-COOH) та солі сильної основи (білок-COONa). З підвищенням рівня кислот вони взаємодіють із білковою сіллю, утворюючи нейтральну сіль та слабку кислоту. Зі збільшенням концентрації основ їх реакція відбувається з білком, що має кислотні властивості. В результаті замість сильної основи утворюється слабоосновна сіль.

Гемоглобінова буферна система - найємніший буфер крові - становить більше половини своєї загальної буферної ємності. Гемоглобіновий буфер складається з кислотного компонента – оксигенованого гемоглобіну (Н b О2) та основного – неоксигенованого. Н b О2 приблизно в 80 разів швидше з виділенням Н + в середу, ніж не насичений киснем гемоглобін. Відповідно, він пов'язує більше катіонів, переважно К + . Основна роль гемоглобінової буферної системи полягає у її участі у транспорті CO2 від тканин до легень [2].

Багато механізмів саморегуляції, що відбуваються в організмі людини, пов'язані з сталістю складу крові, яка перебуває в динаміці. Водневий показник pH характеризує активну реакцію рідкого середовища.Якщо іонів Н+ більше, середовище буде кислим, а рН7. Зразок нейтральної реакції демонструє вода рН=7,0.

Водневий показник – один із найстійкіших показників у людському організмі, проте зміщення pH всього лише на 0,4 становить серйозну загрозу не тільки здоров'ю людини, але і її життю. Підтримувати постійність pH виходить завдяки існуванню буферних систем. У плазмі роль буфера грають білки, потім солі фосфорної та вугільної кислот. Наприклад: якщо до 1 л води додамо 1 мл концентрованої соляної кислоти, pH з 7,0 зменшиться до 2,0. А якщо до 1 мл концентрованої соляної кислоти долити до 1 л плазми крові, pH знизиться з 7,4 до 7,2. Даний приклад відображає всю сутність біологічного значення, і важливість буферного організму людини.

Список литературы

1. Михайлов С.С., Спортивна біохімія, М: Біоенергетика м'язової діяльності, 2014. С. 315.

2. Халікова З. М., Нікітіна Ю. Н., Дехтяр Т. Ф. Буферні розчини в людини // Науково-методичний електронний журнал «Концепт». – 2017. – Т. 2. – С. 121 - 125. - URL: httr://e-konccrt.ru/2017/570026.htm.

3. Куліненков О.С. Медицина спорту найвищих досягнень. М. Спорт, 2016. С. 60-63.