Буферный раствор для чего
БУФЕРНЫЕ РАСТВОРЫ
БУФЕРНЫЕ РАСТВОРЫ (буферные смеси, буферы) — растворы, содержащие буферные системы и обладающие вследствие этого способностью поддерживать pH на постоянном уровне. Б. р. применяются для сохранения активной реакции среды (см.) на определенном неизменном уровне, если тот или иной процесс (напр., выращивание культуры бактерий, проведение ферментативной реакции и т. п.) должен быть проведен при постоянном pH; для определения водородного показателя (см.) — в качестве стандартных растворов с известными и устойчивыми значениями pH и в других случаях лабораторной практики.
Б. р. обычно готовят путем растворения в воде взятых в соответствующих пропорциях слабой кислоты и ее соли, образованной щелочным металлом, частичной нейтрализацией слабой кислоты сильной щелочью или слабого основания сильной кислотой, растворением смеси солей многоосновной кислоты. Величины pH приготовленных таким образом Б. р. незначительно меняются с температурой. Б. р., представляющие собой смеси слабых оснований с их солями, образованными сильными кислотами, ввиду значительной зависимости их pH от температуры, как правило, применяются на практике редко. Общая концентрация компонентов Б. р., употребляемых для практических целей, в большинстве случаев находится в пределах 0,05— 0,2 н. Такого рода Б. р. проявляют буферное действие, если отношение концентраций составляющих их слабых кислот к концентрациям соответствующих солей не меньше 0,1 и не больше 10. Интервал значений pH, в к-ром Б. р. обладает устойчивыми буферными свойствами, лежит в пределах рК±1 (рК — отрицательный десятичный логарифм константы диссоциации слабой кислоты, входящей в состав Б. р., т. е. рК= —lgK). Т. о., для приготовления Б. р., проявляющего буферное действие, напр, в области pH=3—5, следует взять кислоту с рК=4.
СОСТАВ НАИБОЛЕЕ РАСПРОСТРАНЕННЫХ БУФЕРНЫХ РАСТВОРОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В ЛАБОРАТОРНОЙ ПРАКТИКЕ
1. Глициновый буфер Серенсена
Соляная кислота — у
2. Ацетатный буфер Вальполя
Уксусная кислота — х
3. Фосфатный буфер Серенсен
4. Боратный буфер Палича
5. Вероналовый буфер Михаэлиса
Соляная кислота — y
6. Карбонатный буфер Кольтгоффа
Соляная кислота — х
7. Универсальный вероналовый буфер Михаэлиса
Соляная кислота — х
Соляная кислота — х
Количества компонентов, необходимых для приготовления определенного Б. р., рассчитывают по уравнению соответствующей буферной системы или находят с помощью специальной таблицы (см. выше).
При пользовании таблицей следует иметь в виду: В левом вертикальном столбце перечислены наименования Б. р. и их составных частей (x, y).
Во всех горизонтальных рядах, соответствующих тому или иному Б. р., верхняя цифра обозначает искомые значения pH, нижние цифры (или цифра) — объем (в мл) составных частей (части) Б. р. (z, у). Значения х и у соответствуют объемам (в мл) каждого из компонентов Б. р. Напр., для получения Б. р. с pH 1,15 (второй цифровой столбец вверху) следует взять 1,0 мл раствора глицина и 9,0 мл HCl (из расчета приготовления 10,0 мл смеси).
Глициновый буфер Серенсена представляет смесь соответствующих объемов 0,1 М раствора глицина в 0,1 М растворе NaCl и 0,1М раствора HCl. Ацетатный буфер Вальполя — это смесь 0,2 М раствора уксусной к-ты и 0,2М раствора ее натриевой соли. Фосфатный буфер Серенсена готовят смешиванием М/15 растворов NaH2PO4 и Na2HPO4. Боратный буфер Палича — смесь соответствующих объемов 0,2 М раствора борной к-ты и 0,05 М раствора буры. Для приготовления вероналового буфера Михаэлиса используют 0,1 М раствор Na-веронала и 0,1 М раствор HCl.
Для приготовления карбонатного буфера Кольтгофа на каждые 50 мл 0,1 М раствора углекислого натрия берут х мл 0,1 М раствора HCl и доводят объем полученной смеси до 100 мл.
Для приготовления универсального вероналового буфера Михаэлиса растворяют в воде 9,714 г ацетата натрия (CH3COONa-3H2O) и 14,714 г диэтил барбитурата натрия. Объем раствора доводят дистиллированной водой до 500 мл. На каждые 5 мл раствора добавляют 2 мл 8,5% раствора хлорида натрия, х мл 0,1 М соляной к-ты и (18—х) мл дистиллированной воды.
Для приготовления трис-буфера используют раствор а — 24,3 г трис-(гидроксиметил)-аминометана в 1 л дистиллированной воды и раствор б — 0,1 н. HCl.
При приготовлении любых Б. р. следует употреблять очень чистые исходные вещества. Способность Б. р. сопротивляться изменению pH определяется его буферной емкостью, измеряемой количеством грамм-эквивалентов сильной кислоты или сильной щелочи, к-рое необходимо добавить к 1 л Б. р., чтобы изменить его pH на единицу. При неизменной величине отношения концентраций компонентов Б. р. его буферная емкость возрастает с увеличением концентрации этих компонентов.
Значение Б. р. для мед. практики — см. Буферные системы.
Библиография: Калинин Ф. Л., Лобов В. П. и Жидков В. А. Справочник по биохимии, с. 882, Киев, 1971; Швабе К. Основы техники измерения pH, пер. с нем., М., 1962.
Буферный раствор
Буферный раствор (рус. Буферные раствор, англ. Buffer solution, нем. Pufferlösung f) — водный раствор, содержащий соединения, которые противостоят значительном изменении pH при добавлении небольшого количества кислоты или основания.
Общее описание
Иногда понятие «буферный раствор» используется в более широком смысле: для растворов, имеющих любой постоянный параметр (окислительно-восстановительный потенциал, активность ионов кальция и т.д.), почти не меняется при незначительном изменении состава системы, например при концентрирования, разбавления, добавлении небольших количеств посторонних соединений. Стабильность достигается благодаря тому, что компоненты буферной системы находятся в состоянии химического равновесия.
Буферы широко используются в химических, биологических и медицинских лабораториях для поддержания устойчивого pH среды, в которой происходят химические реакции. Они также входят в состав большого количества промышленных товаров, таких как некоторые медицинские препараты (например забуференный аспирин), средства для ухода за кожей и волосами и тому подобное. Буферные растворы необходимы для обеспечения гомеостаза живых организмов, например pH крови человека поддерживается на постоянном уровне, оптимальном для транспорта кислорода (около 7,4), благодаря нескольким буферным системам.
Для обеспечения устойчивого pH буфер должен содержать два соединения: одну, которая бы препятствовала уменьшению концентрации ионов H 3 O — (или упрощенно — H +), а другая — которая препятствовала ее увеличению, при этом они не должны нейтрализовать друг друга. По используется пара слабая кислота (донор протонов) / ее сопряженная основа (акцептор протонов) в примерно одинаковых концентрациях, и значительно реже — слабое основание / сопряженная с ней кислота. Буферные растворы часто делают на основе пар уксусная кислота / ацетат, дигидрогенфосфат / моногидрогенфосфат, угольная кислота / гидрокарбонат и др.
Механизм действия буферных систем
С другой стороны, при добавлении небольшого количества щелочи, поставляет ионы OH — в раствор, с ними взаимодействовать слабая кислота
Эти две оборотные реакции и обеспечивают буферные свойства раствора: добавление к раствору ионов H + или OH — влечет изменение соотношения слабой кислоты и сопряженной основе и совсем незначительное смещение pH.
Достаточно распространенное заблуждение о том, что буферные растворы способны поддерживать pH на абсолютно постоянном уровне. На самом деле это не так, добавление даже небольшого количества кислоты или щелочи к такому раствора приводит к изменению водородного показателя, но очень незначительной. Например, если добавить к 1 л чистой воды 0,01 моль соляной кислоты, то ее pH изменится от 7,0 до 2,0, то есть на 5 единиц, с другой стороны, при добавлении такого же количества кислоты в 1 л буферного раствора, его pH может измениться всего на 0,1.
Буферная емкость и область буферирования
PH буферного раствора
pH буферного раствора при известной соотношение между количествами слабой кислоты и сопряженной основы можно определить, используя уравнения Гендерсона-Гассельбаха:
,
Так что для приготовления буфера с желаемым pH можно выбрать слабую кислоту (или основу) с максимально приближенным значением pK a и рассчитать по уравнению Гендерсона-Гассельбаха соотношение кислоты и сопряженной основы, которые нужно смешать. Возможно также использовать и другие пути: например, титровать раствор слабой кислоты сильной щелочью, или ее соли сильной кислотой до нужного pH.
Изменение pH буферного раствора при добавлении сильных кислот или оснований
Чтобы вычислить, как изменится pH буферного раствора при добавлении известного количества сильной кислоты или основания, следует сначала использовать принципы стехиометрии, чтобы выяснить количество одного компонента буферного раствора при этом превратится в другой. Предполагается, что реакция нейтрализации происходит до конца (например, если в ацетатного буфера добавить 0,1 моль гидроксида натрия, то можно считать, что количество уксусной кислоты в растворе уменьшится на 0,1 моль, а количество ацетата увеличится на такое же значение). Полученные значения новых концентраций компонентов буфера можно подставить в уравнение Гендерсона-Гассельбаха для вычисления равновесного значения pH.
Практическое значение pH буферов
Буферные системы существуют внутри всех живых клеток, так как большинство из химических превращений, происходящих в них зависящие от pH. С этой же причине в лабораториях при исследовании свойств белков, особенно ферментов, нуклеиновых кислот и других биомолекул всегда используют pH буфера.
pH буфера широко используются во многих отраслях промышленности и в лабораторной практике. Например, один из первых этапов пивоварения — измельчение солода — должен происходить при pH от 5,0 до 5,2. С изготовлением пива связано и само открытие шкалы pH, поскольку ее изобретатель Сорен Соренсон работал исследователем на пивоварне.
Буферные системы крови человека
pH крови человека в среднем составляет 7,4, изменение этого значения даже на одну десятую единицы приводит к тяжелым нарушениям (ацидоза или алкалоза). Когда водородный показатель выходит за пределы диапазона 6,8 ÷ 7,8, это обычно ведет к гибели. Важнейшее буферная система крови — угольная (HCO-3 / H 2 CO 3), вторая по значению — фосфатный (HPO2-4 / H 2 PO-4), также определенную роль в поддержании pH играют белки.
PH буфера в биологических лабораториях
| Буферный агент | pK a |
| Трис | 8,3 |
| TES | 7,55 |
| HEPES | 7,55 |
| MOPS | 7,2 |
| PIPES | 6,8 |
В экспериментах с биохимии и молекулярной биологии первично использовались обычные буфера на основе слабых кислот и их сопряженных оснований, такие как цитратные, ацететни, фосфатные. Однако они имели ряд недостатков, таких как довольно значительное изменение pH при разведении или изменении температуры, проникновения их компонентов через клеточные мембраны и влияние на физиологические процессы. Поэтому на смену им стали применять буферы на основе других веществ, например основы трис (гидроксиметил) аминометану (сокращенно трис), цвиттер-ионной соединения MOPS и тому подобное.
Норман Гуд разработал серию буферов на основе соединений, молекулы которых могут находиться в состоянии цвиттерионив, таких как HEPES, PIPES, MES. Гуд отбирал буферные агенты на основе таких желательных признаков как: значение pK a в диапазоне 6 ÷ 8, соответствует физиологическим значением pH, высокая растворимость в воде, нерастворимость в полярных соединениях, непроницаемость через мембраны, малое влияние на ионную силу раствора, максимальная независимость диссоциации от температуры и концентрации, стабильность, легкость в приготовлении. Также буферные агенты не должны поглощать видимый и ультрафиолетовый свет с длиной волны более 230 нм, чтобы не препятствовать стандартным методам спектрофотометрии. Ни одна из известных соединений не подходит идеально под все описанные признаки, однако имеющийся выбор буферных агентов позволяет выбрать нужный для каждой конкретной задачи.
Другие типы буферных систем
В химическом анализе применяют и другие буферные системы: окислительно-восстановительные буферные растворы для образования и сохранения окислительно-восстановительного потенциала, например, на основе смеси солей Fe (II) и Fe (III); кальциевый буферный раствор для образования и сохранения активности катионов кальция, например на основе смеси эквимолярной количества дигликоляту натрия и кальция или натриевой и кальциевой солей нитрилацетатнои кислоты. В ионометрии широко используются буферные растворы для образования общей ионной силы раствора (БРЗИС).
Буферный раствор постоянной ионной силы
Буферный раствор с высокой ионной силой, которая прилагается к аналiзованого и калиброванного растворов с целью обеспечения в них одинаковой ионной силы при равной активности йонiв Н + в этих растворах.
Буферный раствор – химический реактив с постоянным pH
Буферный раствор – химический реактив с постоянным pH
Лабораторная посуда, лабораторное оборудование, приборы и химические 
вещества это четыре главных составляющих любой современной лаборатории независимо от ее специализации. В зависимости от назначений лабораторные изделия – посуда, оборудование, приборы изготавливаются из различных материалов: пластика, фарфора, кварцевого, боросиликатного, лабораторного стекла и др.. Дело лишь в цене и качестве. Химические реактивы в списке лабораторного оснащения занимают особое место – без них невозможно провести даже самый простой анализ, исследование, эксперимент.
В практике проведения лабораторных работ сотрудники часто сталкиваются с такими химическими растворами, которые имеют или должны обладать определенным показателем величины pH. Именно для этих целей изготавливают специальные буферные растворы.
Что представляет собой данный раствор?
Буферные растворы – химические реактивы с определенным стабильным показателем концентрации водородных ионов; смесь слабо концентрированной кислоты и ее соли. Данные растворы практически не изменяют свою структуру при концентрировании, разбавлении ее другими химическими реагентами или при добавлении в него в малом количестве высококонцентрированных щелочей или кислот. Чтобы получить буферный раствор с различным показателем pH, необходимо изменять концентрацию и соотношение используемых химических растворов.
Данный химический реактив способен сохранять определенный показатель pH до определенного уровня, в зависимости от конкретного количества агрессивных сред, щелочей и кислот. У каждой буферной смеси есть определенная буферная вместимость – эквивалентное соотношение количества элементов щелочи и кислоты.
К сожалению, сами кислоты и щелочи нельзя отнести к буферным смесям, так как при разбавлении их с водой уровень pH данных агрессивных сред изменяется.
В лабораторной практике применима и калибровочная буферная смесь. Она предназначена для настройки точности показателей приборов, которые применяются для определения уровня кислоты жидких веществ – активность в различных средах ионов водорода.
Для работы как в лабораторных условиях, так и в частной практике, рекомендуется использование буферных смесей высокой стабильности, приготовленные в специализированных лабораториях с использованием лабораторной посуды из стекла на специальном лабораторном оборудовании и приборах. Самостоятельное приготовление данного химического реактива может быть получено с большой погрешностью.
Из чего состоит буферный раствор?
В состав этого химического реактива входит вода – растворитель и в равной степени 
растворенные ионы или молекулы веществ, которые составляют кислотно-щелочную или щелочно-кислотную буферную систему. Буферная система – это взаимодействие слабоконцентрированной кислоты с одной из ее солей.
Такие химические реактивы вместе с современным лабораторным оборудованием и приборами нашли широкое применение в исследованиях аналитической химии, биологии и микробиологии, генетике, медицине, фармацевтике, исследовательских центрах и других научных областях.
Важность буферного раствора для человека
Естественная буферная смесь очень важна и для нормальной жизнедеятельности организма, так как благодаря ей поддерживается постоянный уровень pH биологических жидкостей тканей, органов, лимфы и крови.
Хранить данный химический реактив необходимо в герметически закрытой емкости (стеклянных или пластиковых флаконах).
Где приобрести лабораторное оснащение высокого качества по доступной цене?
Химреактивы, приборы, оборудование, лабораторную посуду купить в Москве выгодно в современном специализированном магазине химических реактивов Москва розница и опт «Прайм Кемикалс Групп». Именно здесь Вы найдете широкий ассортимент товаров высокого качества от известных торговых марок по приемлемым ценам. Также у нас возможна доставка как по городу, так и по области.
“Prime Chemicals Group” –лабораторное оснащение от перчаток смотровых до весов электронных лабораторных со знаком качества.
Введение в метрологию. Единство измерений. Контроль качества измерений. Аналитические технологии.в КЛД
Растворы
1. Концентрации раствора
Концентрацию растворов можно выражать следующими способами:
1. Процентная концентрация по массе (ω, %) — число единиц массы (например, число граммов) растворенного вещества (mр.в.), содержащихся в 100 единицах массы (например, в 100 граммах) раствора (mр-ра):
ω= (mр.в.·100%)/mр-ра.
Например, 15% раствор хлорида натрия – это такой раствор, в 100 г которого содержится 15 г NaCl и 85 г воды.
2. Молярность(См) — число моль (n) растворенного вещества, содержащихся в 1 л раствора:
С м = n/V.
3. Молярная концентрация эквивалента (нормальность)(СН):— число моль эквивалентов (nэкв) растворенного вещества, содержащихся в одном литре раствора: Так, 2н. H2SO4 означает раствор серной кислоты, в каждом литре которого содержится два эквивалента, т. е. 98 г H2SO4.
4. Моляльность(Сm) — число молей растворенного вещества, приходящихся на 1000 г растворителя. Так, 2m H2SO4 означает раствор серной кислоты, в котором на 1000 г воды приходится два моля H2SO4. Мольно-массовая концентрация раствора – моляльность, в отличие от его молярности, не изменяется при изменении температуры.
5. Мольная доля(Ni) — отношение числа молей данного вещества (n1) к общему числу молей всех веществ (n1, n2), имеющихся в растворе:
N1=n1/(n1+n2).
Пользуясь растворами, концентрация которых выражена нормальностью, легко заранее рассчитать, в каких объемных отношениях они должны быть смешаны, чтобы растворенные вещества прореагировали без остатка:
СН1V1= СН2V2,
где СН1, СН2 – молярные концентрации эквивалента (моль) растворенного вещества 1 и 2 соответственно; V1, V2 – объемы растворов (л) 1 и 2 соответственно. Таким образом, объемы растворов реагирующих веществ обратно пропорциональны их нормальностям.
m растворенного компонента
Для еще более разбавленных растворов или более низких содержаний компонента результаты чаще представляют числом частей на мллиард:
m растворенного компонента
При еще меньших содержаниях компонента, оперируют триллионными долями:
Буферные растворы. Классификация буферных растворов. Механизм их действия.
Одним из основных свойств живых организмов является поддержание кислотно-основного гомеостаза на определенном уровне. Протолитический гомеостаз – постоянство рН биологических жидкостей, тканей и органов. Это находит выражение в достаточно постоянных значениях рН биологических сред (крови, слюны, желудочного сока и т.д.) и способности организма восстанавливать нормальные значения рН при воздействии протолитов. Система, поддерживающая протолитический гомеостаз, включает в себя не только физиологические механизмы (легочную и почечную компенсацию), но и физико-химические: буферное действие, ионный обмен и диффузию.
Обеспечение постоянства рН крови и других органов и тканей является одним из важнейших условий нормального существования организма. Это обеспечение достигается наличием в организме многочисленных регулирующих систем, важнейшими из которых являются буферные системы. Последние играют основную роль в поддержании КОР в организме.
Кроме того, материал данной темы необходим для изучения последующих тем предмета (потенциометрия, свойства растворов ВМС и т.д.) и таких дисциплин как биохимия, микробиология, гистология, гигиена, физиология, в практической деятельности врача при оценке типа и тяжести нарушений КОР.
Буферными растворами называются растворы, сохраняющие неизменными значения рН при разбавлении или добавлении небольшого количества сильной кислоты или основания. Протолитические буферные растворы представляют смеси электролитов, содержащие одноимённые ионы.
Различают в основном протолитические буферные растворы двух типов:
· Основные, т.е. состоящие из слабого основания и избытка сопряженной с ним кислоты (т.е. соли, образованной сильной кислотой и катионом этого основания). Например: NH4OH и NH4Cl – аммиачный буфер.
Уравнение буферной системы рассчитывается по формуле Гендерсона-Гассельбаха:
рН = рК + ℓg 
, pOH = pK + ℓg 
,
С – молярная или эквивалентная концентрация электролита (C = V N)
Механизм действия буферных растворов
Рассмотрим его на примере ацетатного буфера: СН3СООН + СН3СООNa
Высокая концентрация ацетат-ионов обусловлена полной диссоциацией сильного электролита – ацетата натрия, а уксусная кислота в присутствии одноименного аниона существует в растворе практически в неионизированном виде.
Из уравнения (1) видно, что сильная кислота НС1 заменяется эквивалентным количеством слабой кислоты СН3СООН. Количество СН3СООН увеличивается и по закону разбавления В. Оствальда степень диссоциации уменьшается. В результате этого концентрация ионов Н + в буфере увеличивается, но очень незначительно. рН сохраняется постоянным.
При добавлении кислоты к буферу рН определяется по формуле:
рН = рК + ℓg 
2. При добавлении к буферу небольшого количества щелочи протекает реакция её с СН3СООН. Молекулы уксусной кислоты будут реагировать с гидроксид-ионами с образованием Н2О и СН3СОО ‾ :
В результате этого щелочь заменяется эквивалентным количеством слабоосновной соли CH3COONa. Количество СН3СООН убывает и по закону разбавления В. Оствальда степень диссоциации увеличивается за счет потенциальной кислотности оставшихся недиссоциированных молекул СН3СООН. Следовательно, концентрация ионов Н + практически не изменяется. рН остаётся постоянным.
При добавлении щелочи рН определяется по формуле:
рН = рК + ℓg 
3. При разбавлении буфера рН также не меняется, т.к. константа диссоциации и соотношение компонентов при этом остаются неизменными.
Таким образом, рН буфера зависит от: константы диссоциации и соотношения концентрации компонентов. Чем эти величины больше, тем больше рН буфера. рН буфера будет наибольшим при соотношении компонентов равным единице.
Для количественной характеристики буфера вводится понятие буферной ёмкости.
Буферная ёмкость
Это способность буферной системы противодействовать изменению рН среды.
Интервал значений рН, выше и ниже которого буферное действие прекращается, называется зоной буферного действия.
Она равна рН = рК ± 1
Буферная ёмкость (В) выражается количеством моль-эквивалентов сильной кислоты или щелочи, которое следует добавить к одному литру буфера, чтобы сместить рН на единицу.
В = 
В – буферная ёмкость,
nЭ – количество моль-эквивалента сильной кислоты или щелочи,
рНН – начальное значение рН ( до добавления кислоты или щелочи)
рНК – конечное значение рН (после добавления кислоты или щелочи)
На практике буферная ёмкость рассчитывается по формуле:
В = 
V – объём кислоты или щелочи,
N – эквивалентная концентрация кислоты или щелочи,
Vбуф.— объём буферного раствора,
Δ рН – изменение рН.
О противодействии изменению рН крови свидетельствуют следующие данные. Чтобы сдвинуть рН крови на единицу в щелочную область, нужно прибавить в кровь в 70 раз больше количества NaOH, чем в такой же объём чистой воды. Для изменения рН на единицу в кислую область, следует в кровь добавить в 320 раз больше количества соляной кислоты, чем к такому же объёму чистой воды.
Буферная ёмкость зависит от концентрации электролитов и соотношения компонентов буфера. Наибольшей буферной ёмкостью обладают растворы с большей концентрацией компонентов и соотношением компонентов, равным единице.
Буферная ёмкость артериальной крови 25,3 ммоль/л, венозной – 24,3 ммоль/л, слюна обладает буферной ёмкостью и определяется бикарбонатной, фосфатной и белковой системами. Буферная ёмкость слюны изменяется под влиянием ряда факторов: углеводистая диета снижает буферную ёмкость слюны, высокобелковая диета – повышает её. Поражаемость зубов кариесом меньше у лиц с высокой буферной ёмкостью.
В организме человека действуют белковый, гемоглобиновый, фосфатный и бикарбонатный буферы.
Буферные системы организма.
Он составляет 53 % буферной ёмкости и представлен:
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.
Это приводит к замедлению вентиляции лёгких, поэтому СО2 накапливается в организме и буферное соотношение остаётся неизменным.
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:
Оксигемоглобин – более сильная кислота (рКа = 6,95), чем гемоглобин (рКа = 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:
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.
Кроме того, гемоглобиновый буфер является сложным белком и действует как белковый буфер.
Например, при увеличении концентрации катионов Н + во внутриклеточной жидкости, например, в результате переработки мясной пищи, происходит их нейтрализация ионами НРО4 2- :
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- :
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.
Составляет 5 % буферной ёмкости. Он состоит из белка-кислоты и его соли, образованной сильным основанием.
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:
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:
4. Образующийся избыток протонов связывается с гемоглобинат-ионами:
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:
6. Образовавшийся СО2 взаимодействует с компонентами белковой буферной системы:
7. Избыток протонов нейтрализуется фосфатным буфером:
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:
9. В почках также накапливается избыток протонов в результате реакции:
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.