Загальні подання про буферні розчини.

Лекційний матеріал підготовлений викладачем фізіології НМКБДМУ – Кречун В.П.

Кислотно-лужний стан.

Кислотно-лужний стан (кислотно-лужна рівновага; кислотно-лужний баланс; кислотно-основна рівновага) — одне з найважливіших гомеостатичних властивостей внутрішнього середовища організму, що характеризується відносною сталістю співвідношення водневих і гідроксильних іонів і визначаэ оптимальний характер обмінних процесів і фізіологічних функцій.

Основою внутрішнього середовища є вода, молекули якої при дисоціації дають Н⁺ і ОН " іони. Співвідношення їхньої концентрації визначає актуальну реакцію рідин, насамперед крові.

Актуальною називають існуючу в організмі в даних умовах кислотність або лужність внутрішнього середовища. Від актуальної реакції середовища залежать умови функціонування більшості білків, тому що електронейтральність білкової молекули визначається її ізоелектричною крапкою, що прямо пов'язана з кислотністю середовища. Актуальна реакція середовища визначає активність ферментів, для більшості з яких властиві свої оптимальні значення реакції середовища. Кислотно-лужний стан внутрішнього середовища визначає в тканинах напрямок й інтенсивність процесів окислювання й відновлення, розщеплення й синтезу білків, вуглеводів і жирів, нуклеінових кислот, активність вітамінів і мікроелементів. Зміни актуальної реакції середовища крім метаболізму впливають і на функції кліток, органів і систем, наприклад серця й посудин, нервової системи й м'язів, легенів і нирок. Кислотно-лужний стан середовища визначає й біофізичні властивості клітин і молекул, наприклад, проникність мембран і збудливість, ступінь дисперсності колоїдів й ін.

У свою чергу, кислотно-лужний стан як інтегральний параметр внутрішнього середовища залежить від стану клітинного метаболізму, газотранспортної функції крові, процесів харчування й зовнішнього дихання, водно-сольового обміну.

Внутрішньоклітинне середовище для більшості клітин нейтральне, тому що це забезпечує оптимальну можливість утворення субстрат-ферментних комплексів. Позаклітинна рідина й кров мають злегка лужну реакцію, що полегшує нейтралізацію й видалення із клітин кислих метаболітів і Н⁺ іонів.

Кислоти й основи внутрішнього середовища.

Загальні подання про буферні розчини.

Кислотами називають речовини, здатні при дисоціації в розчинах виділяти іон водню (донатори протона), а оснвами або лугами — речовини, здатні зв'язувати іон водню (акцептори протона).

Вода слабо дисоційована на Н⁺ і ОН^- іони. При нейтральній реакції води в ній є однакова кількість Н⁺ і ОН^- іонів, при 22°С складає 10^-7 кожного. Добуток Н⁺ і ОН^- іонів у водяному розчині, незалежно від того нейтральний, кислий або лужний, завжди однаковий й дорівнює: 10^-7 -10^-7 =10^-14. Ця величина називається константою дисоціації води, мабуть, що якщо концентрація водневих іонів - [Н⁺]- буде рости, то число ОН^- іонів -[ОН^- ]- буде зменшуватися.

Оскільки актуальна реакція водяного розчину залежить від співвідношення [Н⁺] й [ОН^- ], її оцінювати можна по одній з них, тобто, як це прийнято, по [Н⁺]. Таким чином, розчин з нейтральною реакцією має [Н⁺] =10^-7, з кислою реакцією —[Н⁺]> 10^-7, а з лужною реакцією — [Н⁺]< 10^-7. Для оцінки [Н⁺] використається негативний десятковий логарифм концентрації, що позначається рН і називається водневим показником. У такий спосіб рН = - log[H⁺]. Отже, для нейтрального розчину рН = 7, для кислотно < 7, а для лужного - > 7.

У нормі величина рН у різних рідких середовищах організму неоднакова, але її коливання невеликі, рН внутрішньоклітинної, тканинної рідини й крові відноситься до числа твердих гомеостатичних констант. У табл. 13.1 наведені значення рН різних середовищ організму.

Кислоти утворяться із прийнятої їжі й у результаті проміжного обміну речовин. Процеси окислювання в клітинах обумовлюють появу органічних і мінеральних кислот. Так, катаболізм

сірчистих амінокислот викликає поява сірчаної кислоти; фосфопротеїни й нуклеопротеїни ведуть до утворення фосфорної й сечової кислоти; ліпіди утворюють вільні жирні кислоти; вуглеводи при окислюванні й гліколізі поставляють піровиноградну й молочну кислоту й т.п. Незважаючи на те, що молочна кислота є органічною, вона досить " сильна", тому що її рН при 26°С дорівнює 3, 73. Вуглекислий газ, утворений як кінцевий продукт процесів окислювання, також є кислотою, тому що разом з іншим кінцевим продуктом окислювання - водою - дає реакцію:

СО ₂+Н₂О —> н_гсо₃—> H+нсо₃.

Вуглекислота є слабкою кислотою, але служить у свою чергу джерелом вуглекислого газу, що видаляється через легені, тому вона ще називається летючою кислотою. Інші органічні й неорганічні кислоти називають нелетючими. Летючої кислоти утворюється набагато більше (до 20 000 ммоль СО₂), чим нелетючих кислот (близько 100 ммоль).

Кислоти, як проміжний етап метаболізму, є біохімічною необхідністю, що характеризує процеси життєдіяльності клітини. При цьому інтенсивність утворення кислот при метаболізмі є одним з основних факторів, що забезпечують надходження протонів у внутрішнє середовище. Протони, що надходять із їжею, грають у рН внутрішнього середовища істотно меншу роль. Вміст вільних водневих іонів залежить від інтенсивності їхнього зв'язування оснвами й виділення в зовнішнє середовище.

Основи надходять в організм переважно в рослинній їжі, багатої лужними й лужно-земельними солями. Утворюються луги й клітинами організму, наприклад, зовнішньо- секреторними клітинами підшлункової залози, секрет яких дуже багатий ОН^- іонами.

Інтенсивність утворення кислот прямо пов'язана з окислювально-відновними реакціями клітин, забезпеченням їх киснем. При обмеженні забезпечення клітин киснем або наявності кисневого голоду через надмірну потребу в ньому підсилюються або активізуються процеси анаеробного гліколізу. При цьому в клітинах зʼ являєься у надлишку піровиноградна й молочна кислоти, котрі переходять у тканинну рідину й кров. Так відбувається, наприклад, при інтенсивній м'язовій роботі за рахунок відставання можливості кисневого забезпечення від потреби в ньому й підвищенні швидкості гліколізу в сотні разів. Молочна кислота є причиною більше низького рН у тканинній рідині скелетних м'язів, чим в інших тканинах.

Однак, незважаючи на надходження в кров піровиноградної і молочної кислот, також як й інших нелетючих і летючих кислот, рН крові практично не міняється. Це свідчить про наявність в організмі потужних гомеостатичних систем, що підтримують константу рН. До їхнього числа відносять фізико-хімічні (буферні системи внутрішнього середовища, тканинні обмінні процеси) і фізіологічні гомеостатичні системи (легені, нирки, шлунково-кишковий тракт, кісткова тканина).

Вільні Н⁺ іони, концентрація яких визначається водневим показником, становлять активну кислотність або активну реакцію водяного розчину. Однак, не всі кислоти у водяному розчині дисоціюють повністю. Якщо кислоти утворюють у розчині велике число недисоційованих молекул і мале число Н⁺-іонів, їх називають " слабкими". При додаванні до розчину такої кислоти акцепторів протонів, тобто основ (ОН^- іони), то вільні Н⁺ іони будуть зв'язуватися, утворюючи воду. Молекули слабкої кислоти, що залишилися недисоційованими, почнуть звільняти нові протони, які знову будуть зв'язуватися лугом, щ додається. Так за допомогою титрування лугом можна домогтися нейтральної реакції середовища, коли всі потенційні іони, що втримуються в слабкій кислоті у зв'язаному виді, Н⁺ вийдуть у розчин і зв'яжуться акцептором протона, тобто основою. Кількість лугу, використана на нейтралізацію всіх потенційно здатних до виходу в розчин іонів Н⁺ при дисоціації, називається титрованою кислотністю. Очевидно, що для розчинів сильних, тобто повністю дисоційованих кислот, активна й титрована кислотності рівні, а чим слабкіше кислота, тим більше титрована кислотність перевищує активну кислотність.

Якщо до водяного розчину слабкої кислоти додати луг, то частина вільних Н⁺-іонів буде зв'язана, але рН середовища майже не зміниться, тому що нові молекули слабкої кислоти дисоціюючи заповнять число, що зв'язалося, вільних Н⁺-іонів. Отже розчин слабкої кислоти зменшує зрушення активної кислотності при додаванні лугу. Подібним же чином слабкий луг зм'якшує зміну кислотності середовища при додаванні кислоти. Такі розчини одержали назву буферних. Буферні розчини здатні згладжувати зсув рН при додаванні до них кислот або лугів. Однак слабка кислота або слабкий луг - це однобічні буфери, тому що вони проявляють свої буферні властивості тільки стосовно одного із впливів - або кислоти, або лугу. Але можна створити й двосторонній напрямок буфера, і одночасно підсилити самі буферні властивості розчину, якщо домісити до слабкої кислоти сіль тієї ж кислоти.

Сіль навіть слабкої кислоти дисоціює майже повністю, тобто дає поряд з іоном металу велику кількість вільних аніонів кислоти. Отже, у випадку додавання до слабкої кислоти її солі, збільшується концентрація аніонів і тим підвищується швидкість зворотного з'єднання цих аніонів з Н⁺-іонами. Дисоціація кислоти пригнічується й зростає число потенційних іонів Н⁺. У такий спосіб цей розчин вчинить більший опір зміні рн від додатка лугу, чим розчин тільки слабкої кислоти. Але з іншого боку, і додавання сильної кислоти теж майже не змінить активну кислотність, тому що Н⁺-іони, взаємодіючи з аніоном слабкої кислоти, приведуть до утворення цієї слабкої кислоти, погано дисоційованої, особливо в присутності солі. Гальмування зрушення активної кислотності розчину можливо доти, поки досить солі. Чим її більше, тим вищий - опір буфера стосовно сильної кислоти, при цьому одночасно сильніше гнітиться й дисоціація слабкої кислоти, що утвориться. З іншого боку, опір буфера дії лугу наростає зі збільшенням концентрації слабкої кислоти, тобто зі збільшенням кількості потенційних Н⁺-іонів. Отже, чим більше концентрація слабкої кислоти і її солі, тим буферність розчину, або як прийнято називати буферна ємність розчину більше (тобто розчин може як би вмістити більшу кількість сильної кислоти, що додається, або лугу без вираженої зміни рН).

Оскільки буферна ємність є кількісною характеристикою (мірою) буферних властивостей розчину, її прийнято вимірювати по кількості кислоти або лугу, який необхідно додати до буферного розчину, щоб змістити його активну реакцію на 1 одиницю рН.

Біологічні рідини мають буферні властивості не тільки завдяки наявності в них слабких кислот і солей цих кислот, але й за рахунок амфотерних речовин, що втримуються в них, або амфолітів, до числа яких відносяться білки, пептиди й амінокислоти. У зв'язку з тим, що активна реакція крові в нормі є більш лужною, чим ізоелектричні крапки більшості білків, що втримуються в ній, всі ці білки дисоціюють як кислоти. У зв'язку із цим білки крові найчастіше присутні у вигляді солей натрію й калію (протеінатів).