Что такое буферные свойства в биологии

Быстрая компенсация сдвигов рН

Буферные системы

Существует три буферные системы жидкостей организма – бикарбонатная, фосфатная, белковая (включая гемоглобиновую).Они вступают в действие моментально и через несколько минут их эффект достигает максимума возможного.

Фосфатная буферная система

Фосфатная буферная система составляет около 2% от всей буферной емкости крови и до 50% буферной емкости мочи. Она образована гидрофосфатом (HPO₄ 2– ) и дигидрофосфатом (H₂PO₄ – ). Дигидрофосфат слабо диссоциирует и ведет себя как слабая кислота, гидрофосфат обладает щелочными свойствами. В норме отношение HРO₄ 2– к H₂РO₄ – равно 4 : 1.

При взаимодействии кислот (ионов Н + ) с двузамещенным фосфатом (HPO₄ 2‑ ) образуется дигидрофосфат (H₂PO₄ – ):

Удаление ионов H + фосфатным буфером

В результате концентрация ионов Н + понижается.

При поступлении в кровь оснований (избыток ОН – ‑групп) они нейтрализуются поступающими в плазму от H₂PO₄ – ионами Н + :

Удаление щелочных эквивалентов фосфатным буфером

Роль фосфатного буфера особенно высока во внутриклеточном пространстве и в просвете почечных канальцев. Кислотно-основная реакция мочи зависит только от содержания дигидрофосфата (H 2 PO 4 – ), т.к. бикарбонат натрия в почечных канальцах реабсорбируется.

Бикарбонатная буферная система

Эта система самая мощная, на ее долю приходится 65% всей буферной мощности крови. Она состоит из бикарбонат-иона (НСО₃ – ) и угольной кислоты (Н₂СО₃). В норме отношение HCO₃ – к H₂CO₃ равно 20 : 1.

При поступлении в кровь ионов H + (т.е. кислоты) ионы бикарбоната натрия взаимодействуют с ней и образуется угольная кислота:

Если в кровь поступают вещества с щелочными свойствами, то они реагируют с угольной кислотой и образуют ионы бикарбоната:

Работа бикарбонатного буфера неразрывно связана с дыхательной системой (с вентиляцией легких). В легочных артериолах при снижении плазменной концентрации СО₂ и благодаря присутствию в эритроцитах фермента карбоангидразы угольная кислота быстро расщепляется с образованием CO₂, удаляемого с выдыхаемым воздухом:

Кроме эритроцитов, значительная активность карбоангидразы отмечена в эпителии почечных канальцев, клетках слизистой оболочки желудка, коре надпочечников и клетках печени, в незначительных количествах – в центральной нервной системе, поджелудочной железе и других органах.

Белковая буферная система

Белки плазмы, в первую очередь альбумин, играют роль буфера благодаря своим амфотерным свойствам. Их вклад в буферизацию плазмы крови около 5%.

В щелочной среде усиливается диссоциация COOH‑групп, поступающие в плазму ионы Н + связывают избыток ОН – ‑ионов и pH сохраняется. Белки в данном случае выступают как кислоты и заряжаются отрицательно.

Изменение заряда буферных групп белка при различных рН

Гемоглобиновая буферная система

Изменение кислотности гемоглобина происходит в тканях и в легких, и вызывается связыванием соответственно H + или О₂. Непосредственный механизм действия буфера заключается в присоединении или отдаче иона H + остатком гистидина в глобиновой части молекулы (эффект Бора).

В тканях более кислый pH в норме является результатом накопления минеральных (угольной, серной, соляной) и органических кислот (молочной). При компенсации pH данным буфером ионы H + присоединяются к пришедшему оксигемоглобину (HbО₂) и превращают его в H‑HbО₂. Это моментально вызывает отдачу оксигемоглобином кислорода (эффект Бора) и он превращается в восстановленный H‑Hb.

В результате снижается количество кислот, в первую очередь Н₂СО₃, продуцируются ионы НСО₃ ‑ и тканевое пространство подщелачивается.

В легких после удаления СО₂ (угольной кислоты) происходит защелачивание крови. При этом присоединение О₂ к дезоксигемоглобину H-Hb образует кислоту более сильную, чем угольная. Она отдает свои ионы Н + в среду, предотвращая повышение рН:

Работу гемоглобинового буфера рассматривают неотрывно от бикарбонатного буфера:

Эффективность гемоглобинового буфера напрямую зависит от активности дыхательной системы (Газообмен в легких и тканях).

Источник

Буферные растворы и их биологическое значение

Буферные растворы – это растворы, сохраняющие определенную концентрацию ионов водорода (рН) при разбавлении, концентрировании и незначительно изменяющие её при добавлении небольших количеств сильных кислот или оснований. Свойство растворов сохранять определенное значение рН называется буферным действием.

Буферные растворы могут состоять из слабой кислотыи ее гидролитически щелочной соли или слабого основания и гидролитически кислой соли этого основания. Буферными свойствами обладают также растворы, содержащие смеси солей слабых многоосновных кислот.

В качестве примеров можно привести следующие буферные смеси:

СН₃СООН + СН₃СООNа — ацетатный буфер;

Н₂СОз + NаНСОз — бикарбонатный буфер;

NH₄OH + NH₄CI — аммиачный буфер;

Каждая из буферных смесей характеризуется определенной концентрацией водородных ионов, которую буферная система стремится сохранять при добавлении к ней кислоты или щелочи.

Для буферной смеси, образованной слабой кислотой и ее гидролитически щелочной солью рН равен:

рН = рК_к – lg

Для буферной смеси, содержащей слабое однокислотное основание и его соль можно прийти к формулам:

где рК_о – показатель константы основности слабого однокислотного основания; с_о и с_с – исходные концентрации слабого основания и его соли.

Буферной емкостью (β) называется количество моль эквивалентов сильной кислоты или сильного основания, прибавление которого к 1 л буферного раствора изменяет рН этого раствора на единицу.

Для буферной системы, состоящей из раствора слабой кислоты и ее соли, буферную емкость можно приближенно рассчитать по формуле (если раствор не очень сильно разбавлен):

где с – концентрация сильной кислоты или основания, моль/л;

V – объем добавленной кислоты или основания, л;

V_б – объем буферного раствора, л;

рН₀ и рН₁ – водородные показатели до и после добавления сильной кислоты или основания.

Буферные смеси играют большую роль в регулировании жизнедеятельности организмов, в которых должно сохраняться постоянство рН крови, лимфы и других жидкостей.

Р е ш е н и е. Для аммиачной буферной системы

рН = 14 – рК_о + lg

находим значение рН: рН = 14 – 4,75 + lg = 9,25

При добавлении 0,01 моль НСI концентрация гидроксида аммония уменьшается до 0,09 моль, а концентрация хлорида аммония возрастает до 0,11моль.

Находим величину рН: рН = 14 – 4,75 + lg = 9,15

При добавлении к 1 л раствора 0,01 моль NаОН равное количество молей NH₄CI превратиться в NH₄OH, тогда получим:

рН = 14 – 4,75 + lg = 9,33

При разбавлении раствора в 10 раз имеем:

рН = 14 – 4,75 + lg = 9,25.

Контрольные задания

285-309. Определите силу осования и кислоты, образующих соль. Напишите уравнение диссоциации соли. Составьте сокращенные, полные ионно-молекулярные и молекулярные уравнения гидролиза приведенных в вашем задании солей. Укажите реакцию среды в растворе соли. Напишите выражения для константы гидролиза.

285. Хлорид магния, сульфит натрия.

286. Нитрат меди (II), карбонат калия.

287. Сульфат алюминия, силикат натрия.

288. Хлорид железа (III), сульфид натрия.

289. Сульфат аммония, цианид калия.

290. Хлорид аммония, сульфид бария.

291. Сульфат марганца (II), карбонат калия.

292. Нитрат алюминия, ацетат натрия.

293. Хлорид цинка, силикат калия.

294. Сульфат железа (II), фосфат калия.

295. Хлорид аммония, цианид натрия.

296. Хлорид цинка, карбонат натрия.

297.Ацетат калия, сульфид аммония.

298. Сульфат кадмия, хлорид меди (II).

299. Нитрит калия, сульфат аммония.

300. Бромид меди (II), ацетат калия.

301. Цианид калия, сульфат железа (II).

302. Силикат натрия, нитрат аммония.

303. Сульфид алюминия, нитрат магния.

304. Ацетат аммония, перхлорат хрома (III).

305. Хлорид алюминия, сульфат аммония.

306. Нитрит аммония, нитрат меди (II).

307. Сульфат никеля (II), сульфид натрия.

308. Фосфат аммония, гипохлорит натрия.

309. Сульфид хрома, сульфит калия.

313. Рассчитайте рН 0,001 М раствора аммиачной воды (α=1%), применяемой в качестве азотного удобрения.

318. Дайте определение понятию буферные растворы. Какими свойствами они обладают? Приведите примеры.

319. Приведите формулы соединений, входящих в состав карбонатного буферного раствора. Объясните механизм буферного действия на примере взаимодействия карбонатного буферного раствора с гидроксидом калия и соляной кислотой.

320. Приведите формулы соединений, входящих в состав фосфатного буферного раствора. Объясните механизм буферного действия на примере взаимодействия фосфатного буферного раствора с NaOH. Что такое буферная емкость?

321. Приведите формулы соединений, входящих в состав ацетатного буферного раствора. Объясните механизм буферного действия на примере взаимодействия ацетатного буферного раствора с соляной кислотой и гидроксидом натрия.

322. Приведите формулы соединений, входящих в состав аммиачного буферного раствора. Объясните механизм буферного действия на примере реакций аммиачного буферного раствора с NaOH. Что такое буферная емкость?

323. Приведите формулы соединений, входящих в состав фосфатного буферного раствора. Объясните механизм буферного действия на примере взаимодействия фосфатного буферного раствора с HCl. Биологическое значение фосфатного буферного раствора.

324. Приведите формулы соединений, входящих в состав ацетатного буферного раствора. Объясните механизм буферного действия на примере взаимодействия ацетатного буферного раствора с соляной кислотой. Биологоическое значение ацетатного буферного раствора.

2.12. Окислительно-восстановительные реакции.

Окислительно-восстановительными называются реакции, сопровождающие-ся изменением степени окисления атомов, входящих в состав реагирующих веществ. Под степенью окисления (n) понимают тот условный заряд атома, который вычисляется исходя из предположения, что молекула состоит только из ионов. Иными словами: степень окисления – это тот условный заряд, который приобрел бы атом элемента, если предположить, что он принял или отдал то или иное число электронов.

Окисление – восстановление – это единый, взаимосвязанный процесс. Окисление приводит к повышению степени окисления восстановителя, а восстановление – к ее понижению у окислителя.

Повышение или понижение степени окисления атомов отражается в электронных уравнениях; окислитель принимает электроны, а восстановитель их отдает. При этом не имеет значения, переходят ли электроны от одного атома к другому полностью и образуются ионные связи или электроны только смещаются к более электроотрицательному атому и возникает полярная связь.

О способности того или иного вещества проявлять окислительные, восстановительные или двойственные (как окислительные, так и восстановительные) свойства можно судить по степени окисления атомов окислителя и восстановителя.

Атом того или иного элемента в своей высшей степени окисления не может ее повысить (отдать электрон) и проявляет только окислительные свойства, а в своей низшей степени окисления не может ее понизить (принять электрон) и проявляет только восстановительные свойства.

Атом элемента в промежуточной степени окисления может проявлять как окислительные, так и восстановительные свойства.

Например, атомы в степени окисления:

проявляют окислительные и восстановительные свойства

проявляют только восстановительныесвойства

Пример 1. Исходя из степени окисления атомов азота, серы и марганца в соединениях: NH₃, HNO₂, HNO₃, H₂S, H₂SO₃, H₂SO₄, MnO₂, KMnO₄. определите, какие из них могут быть только восстановителями, только окислителями и какие проявляют как окислительные, так и восстановительные свойства.

Пример 2. Могут ли происходить окислительно-восстановительные реакции между следующими веществами: а) H₂S и HI, б) H₂S и H₂SO₃

Пример 3.Расставьте коэффициенты в уравнении окислительно-восстановительной реакции: KMn 7+ O₄ + H₃P 3+ O₃ + H₂SO₄ = Mn 2+ SO₄ + H₃P 5+ O₄+K₂SO₄+H₂O

Р е ш е н и е. Если в условии задачи даны как исходные вещества, так и продукты их взаимодействия, то написание уравнения реакции сводится, как правило, к нахождению и расстановке коэффициентов. Коэффициенты подбирают методом электронного баланса с помощью электронных уравнений. Вычисляем, как изменяет свою степень окисления восстановитель и окислитель, и отражаем это в электронных уравнениях:

Общее число электронов, отданных восстановителем, должно быть равно числу электронов, которые присоединяет окислитель. Наименьшее общее кратное для числа отданных и принятых электронов десять. Разделив число 10 на 5, получаем коэффициент 2 для окислителя и продукта его восстановления, а при делении 10 на 2 получаем коэффициент 5 для восстановителя и продукта его окисления. Коэффициент перед веществами, атомы которых не меняют свою степень окисления, находят методом подбора. Уравнение реакции имеет вид:

Пример 4. Составьте уравнение реакции цинка с концентрированной серной кислотой, учитывая максимальное восстановление последней.

Составляем уравнение реакции:

Перед H₂SO₄ стоит коэффициент 5, а не 1, ибо четыре молекул H₂SO₄ идут на связывание четырех ионов Zn +2 и только одна на получение сероводорода.

Контрольные задания.

325. Исходя из степени окисления хлора в соединениях HCl, HClO, HClO₃, HClO₄, определите, какое из них является только окислителем, только восстановителем и какое может проявлять как окислительные, так и восстановительные свойства. Почему? На основании метода электронного баланса расставьте коэффициенты в уравнении реакции, идущей по схеме:

326. Реакции выражаются схемами:

Составьте электронные уравнения. Расставьте коэффициенты в уравнениях реакции. Для каждой реакции укажите окислитель и восстановитель; процессы окисления и восстановления.

327. а) Составьте электронные уравнения и укажите, какой процесс – окисление или восстановление – происходит при следующих реакциях:

б) На основании электронных уравнений полуреакций расставьте коэффициенты в уравнении реакции, идущей по схеме:

328. а) Исходя из степени окисления фосфора в соединениях PH₃, H₃PO₄, H₃PO₃, определите, какое из них является только окислителем, только восстановителем и какое может проявлять как окислительные, так и восстановительные свойства. Почему? б) На основании электронных уравнений полуреакций расставьте коэффициенты в уравнении реакции, идущей по схеме:

329. Расставьте коэффициенты с использованием метода электронного баланса в следующих окислительно-восстановительных реакциях, идущих по схемам:

330. Составьте электронные уравнения и укажите, какой процесс – окисление или восстановление – происходит при следующих превращениях:

а) Mn 6+ → Mn 2+ ; б) Cl 5+ → Cl ─ ; в) N 3─ → N 5+

На основании уравнений электронного баланса расставьте коэффициенты в уравнении реакции, идущей по схеме:

331. Уравняйте с использованием метода электронного баланса следующие окислительно-восстановительные реакции, идущие по схемам:

Определите окислитель и восстановитель, процессы окисления и восстановления.

332. Исходя из степени окисления атомов хрома, йода и серы в соединениях K₂Cr₂O₇, KI, H₂SO₃, определите, какое из них является только окислителем, только восстановителем и какое может проявлять как окислительные, так и восстановительные свойства. Почему? На основании метода электронного баланса расставьте коэффициенты в уравнении реакции, идущей по схеме:

333-342. На основании метода электронного баланса расставьте коэффициенты в уравнениях реакций, идущих по схемам. Определите окислитель и восстановитель, процессы окисления и восстановления

KMnO₄ + HBr →Br₂ + KBr + MnBr₂ + H ₂O;

Источник

БУФЕРНЫЕ СИСТЕМЫ И ИХ РОЛЬ В ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ ОРГАНИЗМА

Этот процесс осуществляется преимущественно деятельностью лёгких и почек за счёт дыхательной и выделительной функции. В основе гомеостаза лежит сохранение кислотно-основного баланса. Для нормальной жизнедеятельности большинства клеток необходимы достаточно узкие пределы рН (6,9 – 7,8), и организм вынужден постоянно осуществлять нейтрализацию образующихся кислот. Этот процесс выполняют буферные системы, которые связывают избыток ионов водорода и контролируют их дальнейшие перемещения в организме. Буферные системы играют очень важную роль, т.к. в результате различных метаболических процессов в организме постоянно образуются различные кислоты, которые сразу же нейтрализуются буферными системами: гидрокарбонатной, фосфатной, белковой и гемоглобиновой.

Главной буферной системой организма является гидрокарбонатный буфер, состоящий из Н₂СО₃ и NaHCО₃. При рН около 7,4 в организме преобладает гидрокарбонат-ион, и его концентрация может в 20 раз превышать концентрацию угольной кислоты. По своей природе угольная кислота очень нестойкая и сразу же после образования расщепляется на углекислый газ и воду. Реакции образования и последующего быстрого расщепления угольной кислоты в организме настолько совершенны, что им часто не придают особого значения. Эти реакции катализируется ферментом карбоангидразой, который находится в эритроцитах и в почках. Особенность гидрокарбонатной буферной системы состоит в том, что она открыта. Избыток ионов водорода связывается с гидрокарбонат-ионом, образующийся при этом углекислый газ стимулирует дыхательный центр, вентиляция лёгких повышается, а излишки углекислого газа удаляются при дыхании. Так в организме поддерживается баланс рН. Чем больше в клетках образуется ионов водорода, тем больше расход буфера. На этом этапе метаболизма подключаются почки, которые выводят избыток ионов водорода, и количество гидрокарбоната в организме восстанавливается.

Фосфатный буфер может действовать как в составе органических молекул, так и в качестве свободных ионов. Одна его молекула способна связывать до трёх катионов водорода. Белки могут присоединять к своей полипептидной цепочке как кислотные, так и основные группы.

Буферная ёмкость белковой буферной системы может охватывать широкий диапазон рН. В зависимости от имеющейся величины рН она может связывать как гидроксильные группы, так и ионы водорода. Третья часть буферной ёмкости крови приходится на гемоглобин. Каждая молекула гемоглобина может нейтрализовать несколько ионов водорода. Когда кислород переходит из гемоглобина в ткани, способность гемоглобина связывать ионы водорода возрастает и наоборот: когда в лёгких происходит оксигенация гемоглобина, он теряет присоединённые ионы водорода. Освободившиеся ионы водорода реагируют с гидрокарбонатом, и в результате образуется углекислый газ и вода. Образовавшийся углекислый газ удаляется из лёгких при дыхании.

Таким образом, механизм регуляции кислотно-основного равновесия крови в целостном организме заключается в совместном действии внешнего дыхания, кровообращения, выделения и буферных систем.

Общая химия. Биофизическая химия. Химия биогенных элементов. Учебник для медицинских вузов. /Ю.А.Ершов, В.А.Попков, А.С.Берлянд и др. Под ред. Ю.А.Ершова), 8 изд. – М.: Высшая школа, 2010. – 560 с.

Источник

Буферные системы крови

Истинная концентрация недиссоциированных молекул Н₂СО₃ в крови незначительна и находится в прямой зависимости от концентрации растворенного углекислого газа (СО₂ + Н₂О Н₂СО₃). Поэтому удобнее пользоваться тем вариантом уравнения, в котором рК_H2СО3 заменена «кажущейся» константой диссоциации Н₂СО₃, учитывающей общую концентрацию растворенного СО₂ в крови:

При нормальном значении рН крови (7,4) концентрация ионов бикарбоната НСО₃ в плазме крови превышает концентрацию СО₂ примерно в 20 раз. Бикарбонатная буферная система функционирует как эффективный регулятор в области рН 7,4.

Фосфатная буферная система представляет собой сопряженную кислотно-основную пару, состоящую из иона Н₂РО₄ – (донор протонов) и иона НРО₄ 2– (акцептор протонов):

Роль кислоты в этой системе выполняет однозамещенный фосфат NaH₂PO₄, а роль соли двузамещенный фосфат – Na₂HPO₄.

Фосфатная буферная система составляет всего лишь 1% от буферной емкости крови. В других тканях эта система является одной из основных. Для фосфатной буферной системы справедливо следующее уравнение:

Во внеклеточной жидкости, в том числе в крови, соотношение [НРО₄ 2– ]: [Н₂РО₄ – ] составляет 4:1. Величина рК_Н2РО4– равна 6,86.

Буферное действие фосфатной системы основано на возможности связывания водородных ионов ионами НРО₄ 2– с образованием Н₂РО₄ – (Н + + + НРО₄ 2– —> Н₂РО₄ – ), а также ионов ОН – с ионами Н₂РО₄ – (ОН – + + Н₂ Р О₄ – —> HPO₄ 2– + H₂O). Буферная пара (Н₂РО₄ – –НРО₄ 2– ) способна оказывать влияние при изменениях рН в интервале от 6,1 до 7,7 и может обеспечивать определенную буферную емкость внутриклеточной жидкости, величина рН которой в пределах 6,9–7,4. В крови максимальная емкость фосфатного буфера проявляется вблизи значения рН 7,2. Фосфатный буфер в крови находится в тесном взаимодействии с бикарбонатной буферной системой. Органические фосфаты также обладают буферными свойствами, но мощность их слабее, чем неорганического фосфатного буфера.

Белковая буферная система имеет меньшее значение для поддержания КОР в плазме крови, чем другие буферные системы.

Белки образуют буферную систему благодаря наличию кислотно-основных групп в молекуле белков: белок–Н + (кислота, донор протонов) и белок (сопряженное основание, акцептор протонов). Белковая буферная система плазмы крови эффективна в области значений рН 7,2–7,4.

Гемоглобиновая буферная система – самая мощная буферная система крови. Она в 9 раз мощнее бикарбонатного буфера; на ее долю приходится 75% от всей буферной емкости крови.

Участие гемоглобина в регуляции рН крови связано с его ролью в транспорте кислорода и углекислого газа. Константа диссоциации кислотных групп гемоглобина меняется в зависимости от его насыщения кислородом. При насыщении кислородом гемоглобин становится более сильной кислотой (ННbО₂). Гемоглобин, отдавая кислород, превращается в очень слабую органическую кислоту (ННb).

Итак, гемоглобиновая буферная система состоит из неионизированного гемоглобина ННb (слабая органическая кислота, донор протонов) и калиевой соли гемоглобина КНb (сопряженное основание, акцептор протонов). Точно так же может быть рассмотрена оксигемоглобиновая буферная система. Система гемоглобина и система оксигемоглобина являются вза-имопревращающимися системами и существуют как единое целое. Буферные свойства гемоглобина прежде всего обусловлены возможностью взаимодействия кисло реагирующих соединений с калиевой солью гемоглобина с образованием эквивалентного количества соответствующей калийной соли кислоты и свободного гемоглобина:

Именно таким образом превращение калийной соли гемоглобина эритроцитов в свободный ННb с образованием эквивалентного количества бикарбоната обеспечивает поддержание рН крови в пределах физиологически допустимых величин, несмотря на поступление в венозную кровь огромного количества углекислого газа и других кисло реагирующих продуктов обмена.

Источник

• ← Что такое буферные свойства белков примеры
• Что такое буферные свойства клетки →