Кислоты и основания внутренней среды. Общие представления о буферных растворах

Кислоты и основания внутренней среды организма

Кислотами называют вещества, способные при диссоциации в растворах выделять ион водорода (донаторы протона), Основаниями или щелочами — вещества, способные связывать ион водорода (ак­цепторы  протона).

Вода в слабой степени диссоциирована на Н+ и ОН» ионы. При нейтральной реакции воды в ней имеется одинаковое количество Н+ и ОН ионов, при 22°С составляющее 10-7 каждого.

Произведение Н+ и ОН ионов в водном растворе, независимо от того ней­тральный, кислый он или щелочной, всегда одинаково и равно: 10-7 -10-7 =10-14 . Эта величина называется константой диссоциации воды, очевидно, что если концентрация водородных ионов — [Н+]-будет расти,  то  число  ОН  ионов -[ОН]-   будет уменьшаться. Поскольку актуальная реакция (см. Актуальная реакция среды) водного раствора зависит от соот­ношения [Н+] и [ОН], ее оценивать можно по одной из них, т.е., как это принято, по [Н+]. Таким образом, раствор с нейтральной реакцией имеет [Н+] =10-7, с кислой реакцией —[Н+]>10-7 , а со щелочной реакцией — [Н+]<10-7.

Для оценки [Н*] используется отрицательный десятичный логарифм концентрации, который обо­значается рН и называется водородным показателем. Таким образом рН = — log[H+]. Следовательно, для нейтрального раствора рН = 7, для кислотно  <7,  а для  щелочного  —  >7.

Реакция жидкостей организма

В норме величина рН в различных жидких средах организма неодинакова, но ее колебания невелики, рН внутриклеточной, тка­невой жидкости и крови относится к числу жестких гомеостатичес-ких констант. В табл. 13.1 приведены значения рН различных сред организма.

Таблица 13.1  Актуальная реакция жидкостей организма (см. также Актуальная реакция среды)
Наименование жидкостей РН
Атериальная кровь 7,36 — 7,42
Венозная кровь 7,26 — 7,36
Цереброспинальная жидкость 7,4 — 7,5
Межклеточная жидкость тканей 7,26 — 7,38
Тканевая жидкость мышц 6,7 — 6,9
Поджелудочный сок 7,8 — 8,4
Желчь печеночная 7,3 — 8,0
Желчь пузырная 6,0 — 7,0
Слюна 5,8 — 7,8
Желудочный сок 1,4 — 1,8
Сок тонкой кишки 7,5 — 8,6
Сок толстой кишки 8,0 — 9,0

Кислоты

Кислоты образуются из принятой пищи и в результате межуточ­ного обмена веществ. Процессы окисления в клетках обусловливают появление   органических   и   минеральных   кислот.   Так,   катаболизм сернистых аминокислот вызывает появление серной кислоты; фосфопротеины и нуклеопротеины ведут к образованию фосфорной и мочевой кислоты; липиды образуют свободные жирные кислоты; углеводы при окислении и гликолизе поставляют пировиноградную и молочную кислоту и т.п. Несмотря на то, что молочная кислота является органической, она довольно «сильная», т.к. ее рН при 26°С равен 3,73. Углекислый газ, образуемый как конечный продукт процессов окисления, также является кислотой, т.к. вместе с другим конечным  продуктом  окисления  —  водой  — дает реакцию:

CO2+ H2O → H2CO3→ H+ + HCO3

Углекислота является слабой кислотой, но служит в свою очередь источником углекислого газа, удаляемого через легкие, поэтому она еще называется летучей кислотой. Другие органические и неоргани­ческие кислоты называют нелетучими. Летучей кислоты образуется намного больше (до 20 000 ммоль СО2), чем нелетучих кислот (око­ло   100  ммоль). Кислоты, как промежуточный этап метаболизма, являются биохими­ческой необходимостью, характеризующей процессы жизнедеятельности клетки. При этом интенсивность образования кислот при метаболизме является одним из основных факторов, обеспечивающих поступление протонов во внутреннюю среду. Протоны, поступающие с пищей, играют в рН внутренней среды существенно меньшую роль. Содер­жание свободных водородных ионов зависит от интенсивности их связывания основаниями и выделения во внешнюю среду.

Основания

Основания поступают в организм преимущественно в раститель­ной пище, богатой щелочными и щелочноземельными солями. Об­разуются щелочи и клетками организма, например, внешнесекреторными клетками поджелудочной железы, секрет которых очень богат ОН    ионами. Интенсивность образования кислот прямо связана с окислитель­но-восстановительными реакциями клеток, обеспечением их кисло­родом.

При ограничении обеспечения клеток кислородом или нали­чии кислородного долга из-за чрезмерной потребности в нем уси­ливаются или активизируются процессы анаэробного гликолиза. Появляющиеся в клетках в избытке пировиноградная и молочная кислоты переходят в тканевую жидкость и кровь. Так происходит, например, при интенсивной мышечной работе за счет отставания возможности кислородного обеспечения от потребности в нем и повышении скорости гликолиза в сотни раз.

Молочная кислота является причиной более низкого рН в тканевой жидкости скелет­ных  мышц,   чем  в других  тканях. Однако, несмотря на поступление в кровь пировиноградной и молочной кислот, также как и других нелетучих и летучих кислот, рН крови практические не меняется. Это свидетельствует о наличии в организме мощных гомеостатических систем, поддерживающих константу рН. К их числу относят физико-химические (буферные системы внутренней среды, тканевые обменные процессы) и физио­логические гомеостатические системы (легкие, почки, желудочно-кишечный тракт,  костная  ткань). Свободные Н+ ионы, концентрация которых определяется водо­родным показателем, составляют активную кислотность или активную реакцию водного раствора. Однако, не все кислоты в водном растворе диссоциируют полностью. Если кислоты образуют в рас­творе большое число недиссоциированных молекул и малое число Н-ионов, их называют «слабыми».

При добавлении к раствору такой кислоты акцепторов протонов, т.е. оснований (ОН ионы), то сво­бодные Н+ ионы будут связываться, образуя .воду. Молекулы слабой кислоты, оставшиеся недиссоциированными, начнут освобождать но­вые протоны, которые вновь будут связываться добавляемой щело­чью. Так с помощью титрования щелочью можно добиться нейтральной реакции среды, когда все содержащиеся в слабой кислоте в связанном виде потенциальные ионы Н+ выйдут в раствор и свяжутся акцептором протона, т.е. основанием. Количество щелочи, использованное на нейтрализацию всех потенциально способных к выходу в раствор ионов Н+ при диссоциации, носит название тит­руемой кислотности. Очевидно, что для растворов сильных, т.е. полностью диссоциирующих кислот, активная и титруемая кислот­ности равны, а чем слабее кислота, тем больше титруемая кислот­ность превышает активную кислотность.

Буферные растворы организма

Если к водному раствору слабой кислоты прибавить щелочь, то часть свободных Н-ионов будет связана, но рН среды почти не изменится, т.к. новые молекулы слабой кислоты диссоциируя вос­полнят связавшееся число свободных Н-ионов. Следовательно рас­твор слабой кислоты уменьшает сдвиг активной кислотности при добавлении щелочи. Подобным же образом слабая щелочь смягчает изменение кислотности среды при добавлении кислоты. Такие рас­творы получили название буферных.

Буферные растворы способны сглаживать смещение рН при добавлении к ним кислот или щело­чей. Однако слабая кислота или слабая щелочь — это односторон­ние буфера, т.к. они проявляют свои буферные свойства только по отношению к одному из воздействий — либо кислотой, либо ще­лочью. Но можно создать и двустороннее направление буфера, и одновременно усилить сами буферные свойства раствора, если при­мешать к слабой кислоте  соль той же  кислоты. Соль даже слабой кислоты диссоциирует почти полностью, т.е. дает наряду с ионом металла большое количество свободных анионов кислоты. Следовательно, в случае прибавления к слабой кислоте ее соли, увеличивается концентрация анионов и тем повышается скорость обратного соединения этих анионов с Н-ионами.

Диссо­циация кислоты угнетается и возрастает число потенциальных ионов Н+. Таким образом этот раствор окажет большее сопротивление изменению рН от прибавления щелочи, чем раствор только слабой кислоты. Но с другой стороны, и прибавление сильной кислоты тоже почти не изменит активную кислотность, так как Н-ионы, взаимодействуя с анионом слабой кислоты, приведут к образованию этой слабой кислоты, плохо диссоциирущей, особенно в присутствии соли.

Торможение сдвига активной кислотности раствора возможно до тех пор,  пока достаточно соли. Чем ее  больше,  тем выше сопротивление буфера по отношению к сильной кислоте, при этом одновременно сильнее угнетается и диссоциация образующейся слабой кислоты. С другой стороны, сопротивление буфера действию щелочи нарастает с увеличением концентрации слабой кислоты, т.е. с увеличением количества потенциальных Н-ионов. Следовательно, чем больше концентрация слабой кислоты и ее соли, тем буферность раствора, или как принято называть буферная емкость раствора больше (т.е. раствор может как бы вместить большее коли­чество прибавляемой сильной кислоты или щелочи без выраженного изменения рН). Поскольку буферная емкость является количественной характе­ристикой (мерой) буферных свойств раствора, ее принято измерять по количеству кислоты или щелочи, которое необходимо прибавить к буферному раствору, чтобы сместить его активную реакцию на 1 единицу рН.

Биологические жидкости обладают буферными свойствами не толь­ко благодаря наличию в них слабых кислот и солей этих кислот, но и за счет содержащихся в них амфотерных веществ или амфолитов, к числу которых относятся белки, пептиды и аминокислоты. В связи с тем, что активная реакция крови в норме является более щелоч­ной, чем изоэлектрические точки большинства содержащихся в ней белков, все эти белки диссоциируют как кислоты. В связи с этим белки крови чаще всего присутствуют в виде солей натрия и калия (протеинатов).

Иисус Христос объявил: Я есмь Путь, и Истина, и Жизнь. Кто же Он на самом деле ?

Жив ли Христос? Воскрес ли Христос из мертвых? Исследователи изучают факты

РЕКЛАМА