Уравнение гендерсона гассельбаха для бикарбонатного буфера крови

Мои таблетки

Бикарбонатная буферная система – это гомеостатический кислотно-щелочной механизм, буферная система, представляющая собой сопряженную кислотно-основную пару, состоящую из молекулы угольной кислоты (H₂CO₃) в качестве донора протонов (H + ) и бикарбонат (гидрокарбонат) – аниона (HCO₃ W22, ) в качестве их акцептора.

Бикарбонатная буферная система – наиболее управляемая система внеклеточной жидкости и крови, играющая важную роль в поддержании постоянства pH [1] жидкостей организма животных, являющаяся важнейшей буферной системой крови [2] , тканевой жидкости и лимфы [3] . Бикарбонатная буферная система также необходима для буферирования внутриклеточной жидкости [4] .

Механизм действия

Бикарбонатная буферная система несколько сложнее других буферных систем, состоящих из пары слабая кислота / сопряженное основание, поскольку один из ее компонентов – угольная кислота – образуется в обратимой реакции с выделением углекислого газа, растворенного в плазме крови [5] . Концентрация последнего, в свою очередь, зависит от парциального давления CO₂ в газовой фазе, с которой кровь взаимодействует (в альвеолярном воздухе [6] ). Таким образом, pH бикарбонатной буферной системы зависит от трех равноважных процессов.

Уравнение 1. Диссоциации угольной кислоты.

Уравнение 2. Образование угольной кислоты из воды и растворенного углекислого газа CO₂ (d).

Уравнение 3. Растворение углекислого газа из газовой фазы CO₂ (g) в плазме крови.

Если концентрация ионов H + в крови увеличивается (например, вследствие выделения лактата [7] мышцами), равновесие уравнения 1 смещается в сторону образования угольной кислоты, что, в свою очередь, приводит к повышению содержания растворенного углекислого газа (уравнение 2) и, наконец, к увеличению парциального давления CO₂ в легких (уравнение 3). Лишний оксид углерода при этом выдыхается. Если pH крови повышается (например, вследствие образования NH₃ во время катаболизма белков [8] ), происходит обратный процесс: больше угольной кислоты распадается до бикарбоната, и, соответственно, больше углекислого газа растворяется в плазме крови.

Частота и глубина дыхания регулируется центром в стволе головного мозга, который получает информацию о концентрации углекислого газа в крови и ее кислотность. Снижение pH и увеличение парциального давления p (CO₂) стимулирует ускорение газообмена в легких.

Вычисление pH буферной системы

Зона буферирования для пары слабая кислота / сопряженное основание (то есть диапазон pH, в котором такая буферная система может эффективно работать), рассчитывается как pK_a±1 [9] .

Отрицательный логарифм константы кислотной диссоциации для угольной кислоты K_a = 3,57 при 37 ° C. При физиологических условиях, концентрация H₂CO₃ (приблизительно 1 мМ [10] ) существенно ниже, чем концентрация HCO–3 (24-25 мМ), поэтому такая система должна быть очень эффективной в предотвращении снижению pH, но при выделении в кровь щелочных веществ, ее буферная емкость должна быстро исчерпываться. Однако, поскольку кровь постоянно взаимодействует с большой резервной емкостью углекислого газа в воздухе легких, бикарбонатная система может эффективно противостоять и увеличению pH. Реальное наблюдаемое значение pK_a в физиологических условиях для нее составляет 6,1.

В клинической медицине для вычисления pH плазмы крови, исходя из концентрации растворенного углекислого газа, используется следующая R03,R03,модификация уравнения Гендерсона-Гассельбаха [11] .

где p (CO₂) выражается в килопаскалях (обычно от 4,6 до 6,7 кПа), а коэффициент 0,23 отражает растворимость углекислого газа в воде.

Бикарбонатная буферная система в культуральных средах

Бикарбонатная буферная система широко используется для культивирования эукариотических клеток [12] , например DMEM и RPMI-1640. В отличие от органических буферных агентов, таких как MOPS и HEPES, бикарбонат не является токсичным, большинство клеток нуждаются в нем для роста, независимо от его роли в поддержании устойчивого pH.

Кроме самого бикарбоната, который добавляется в среды в виде натриевой соли, для эффективного функционирования бикарбонатная буферная система требует достаточной концентрации углекислого газа (хотя он и выделяется живыми клетками, этого количества недостаточно для поддержания необходимого значения pH, поэтому клетки культивируют в CO₂-инкубаторах с концентрацией углекислого газа 5-10%). Если среда, в которой используется бикарбонатная буферная система, длительное время взаимодействует с обычным воздухом (концентрация CO₂ 0,04%) его pH постепенно увеличивается.

Примечания

Примечания и пояснения к статье «Буферная система бикарбонатная».

• [1]pH, водородный показатель, кислотность – мера активности (в очень разбавленных растворах она эквивалентна концентрации) ионов водорода в растворе, количественно выражающая его кислотность. Значение pH принято измерять в значениях от 0 до 14, где pH = 7,0 считается нейтральной кислотностью (нормальная физиологическая кислотность у человека также равна 7, однако критические границы находятся в диапазоне от 5 до 9 pH). Наиболее простой и доступный способ проверить pH организма – pH анализ мочи, для проведения которого используются визуальные pH тесты.
• [2] На долю бикарбонатного буфера приходится

10% всей буферной емкости крови.

При написании статьи о бикарбонатной буферной системе в качестве источников использовались материалы информационных и справочных интернет-порталов, сайтов новостей HarperCollege.edu, Chemistry.WUSTL.edu, Boundless.com, ScienceDaily.com, Bio.MSU.ru, NIIB.SFedU.ru, Википедия, а также следующие печатные издания:

• Кассиль Г. Н. «Внутренняя среда организма». Издательство «Наука», 1978 год, Москва,
• Кристофер Вазей «Кислотно-щелочной баланс организма. Самодиагностика, методы лечения и восстановления организма. Академия здоровья». Издательство «Столица-Принт», 2007 год, Москва,
• В. Дж. Маршалл «Клиническая биохимия». Издательство «Бином. Лаборатория знаний», 2011 год, Москва,
• Шипов А. А. «Липидный обмен и реологические свойства крови при отеке легких». Издательство «LAP Lambert Academic Publishing», 2011 год, Саарбрюккен, Германия.

Уравнение гендерсона гассельбаха для бикарбонатного буфера крови

а) Уравнение Гендерсона-Хассельбаха. Как уже обсуждалось ранее, концентрацию ионов Н+ принято выражать не в абсолютных величинах, а в единицах рН. Напомним, что значение рН представляет собой значение -lg ионов Н+.

Аналогичным способом может быть выражена константа диссоциации: рК = -log К.

Следовательно, концентрацию ионов Н+ в уравнении 4 можно выразить в единицах pH через отрицательный логарифм:

Чтобы не производить вычисления с отрицательным логарифмом, можно изменить его знак, поменяв местами числитель и знаменатель дроби согласно правилам логарифмирования. В результате получим:

Для бикарбонатной буферной системы рК равно 6,1, и уравнение выше может быть преобразовано следующим образом:

Последнее уравнение называют уравнением Гендерсона-Хасселъбаха. С его помощью можно рассчитать рН раствора при условии, если известны значения молярной концентрации HCO₃ — и P_CO2. Из этого уравнения становится очевидным, что увеличение содержания HCO₃ — вызывает повышение рН, приводя к алкалозу.

Увеличение P_CO2 снижает рН, смещая кислотно-щелочное равновесие в сторону ацидоза. Уравнение Гендерсона-Хассельбаха, дополнительно определяющее признаки нормального состояния рН и кислотно-щелочного равновесия во внеклеточной жидкости, позволяет понять механизмы физиологической регуляции содержания кислот и оснований во внеклеточной жидкости.

Как будет рассмотрено далее, концентрация бикарбонатов регулируется главным образом почками, тогда как P_CO2 во внеклеточной жидкости зависит от вентиляции легких. Усиление легочной вентиляции способствует выведению CO₂ из плазмы, при снижении показателей вентиляции легких значение P_CO2 возрастает. Гомеостаз кислотно-щелочного состояния поддерживается согласованными действиями обеих систем: выделительной и дыхательной. Повреждение одного или обоих регулирующих механизмов приводит к нарушениям, вследствие которых содержание бикарбонатов или P_CO2 во внеклеточной жидкости изменяется.

Нарушения, смещающие кислотно-щелочное равновесие путем изменения содержания бикарбонатов во внеклеточной жидкости, называют метаболическими, поэтому ацидоз, вызванный таким изменением, носит название метаболического ацидоза, а алкалоз, первичной причиной которого является увеличение концентрации ионов бикарбоната, называют метаболическим алкалозом. При увеличении P_CO2 возникает дыхательный ацидоз, а при снижении — дыхательный алкалоз.

Кривая титрования бикарбонатной буферной системы, отражающая pH внеклеточной жидкости при изменении процентного содержания HCO₃ — и CO₂ (или H₂CO₃) в растворе

б) Кривая титрования бикарбонатной буферной системы. На рисунке выше показаны сдвиги рН во внеклеточной жидкости в ответ на изменения содержания HCO₃ — и CO₂ во внеклеточной жидкости. Когда концентрации двух этих компонентов равны, правая часть уравнения Гендерсона-Хасселъбаха становится логарифмом 1, который равен нулю, поэтому величина рН раствора такая же, как и рК (6,1) бикарбонатной буферной системы. При добавлении к ней основания часть растворенного CO₂ преобразуется в HCO₃ — , увеличивая значение соотношения HCO₃ — к CO₂ и, соответственно, рН, что становится очевидным из уравнения Гендерсона-Хассельбаха. Добавленная в раствор кислота связывается HCO₃ — , который затем преобразуется в растворенный CO₂, что уменьшает соотношение между HCO₃ — к CO₂ и рН внеклеточной жидкости.

в) Буферная емкость раствора определяется суммарной и относительной концентрацией компонентов буферной системы. Особенность расположения ряда точек, изображенных на кривой титрования рисунке, является вполне объяснимой. Во-первых, при условии, когда доля каждого компонента буферного раствора (HCO₃ — и CO₂) составляет по 50%, рН и рК равны. Во-вторых, буферная система наиболее эффективно действует в центральной части кривой, где рН приближен к рК системы. Это означает, что изменения рН, возникающие в результате добавления к раствору кислот или оснований, в этом диапазоне значений наименьшие. Деятельность буферной системы остается эффективной при отклонениях значений рН в любую сторону в пределах 1, что расширяет границы деятельности буфера от 5,1 до 7,1 единиц. Вне указанных границ буферная емкость быстро снижается. Когда весь CO₂ преобразуется в HCO₃ — или, наоборот, когда весь HCO₃ — преобразуется в CO₂, система полностью теряет емкость.

Абсолютная концентрация компонентов буферной системы также является важным показателем, определяющим буферную емкость. При низкой концентрации компонентов буферной системы добавленные даже в небольшом количестве кислоты и щелочи приводят к значительным изменениям рН.

Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021

Буферные системы, их классификация и механизм действия. Буферные растворы. Уравнение Гендерсона-Гассельбаха.

Буферными системами (буферами) называют растворы, обла­дающие свойством достаточно, стойко, сохранять постоянство — кон­центрации водородных ионов как при добавлении кислот или щелочей, так и при разведении.

Буферные системы (смеси или растворы) по составу бывают двух основных типов:

а) из слабой кислоты и ее соли, образован­ной сильным основанием;

б) из слабого основания и его соли, образованной сильной кислотой.

На практике часто применяют следующие буферные смеси: ацетатный буфер CH₃COOH + CH₃COONa, бикарбонатный буфер H₂CO₃+NaHCO₃, аммиачный буфер NH₄OH +NH₄Cl, белковый буфер белок кислота + белок соль, фосфатный буфер NaH₂PO₄ + Na₂ HPO₄

Фосфатная буферная смесь состоит из двух солей, одна из ко­торых является однометаллической, а вторая — двухметаллической солью фосфорной кислоты.

Рассмотрим механизм буферного действия. При добавлении соляной кислоты к ацетатному буферу проис­ходит взаимодействие с одним из компонентов смеси (СНзСООН); Из уравнения (а), сильная кислота заменяется эквивалентным количеством слабой кислоты (в данном случае НСl заменяется СН₃СООН). В соответствии с законом разведения Оствальда повышение концентрации уксусной кислоты понижает степень ее диссоциации, а в результате этого концентрация ионов Н + в буфере увеличивается незначительно. При добавлении к буферному раствору щелочи концентрация водородных ионов и рН изменяется также незначительно. Щелочь при этом будет реагировать с другим компонентом буфера, (СН₃СООН) по реакции нейтрализации. В результате этого добавленная щелочь заменяется эквивалентным количеством слабоосновной соли, в меньшей — степени влияющей на реакцию среды. Анионы СНзСОО

, образующиеся при диссоциации этой соли, будут оказывать некоторое Угнетающее действие на диссоциацию уксусной кислоты.

Буферные растворы в зависимости от своего состава делятся на 2 основных типа: кислотные и основные.

Приме­ром кислотного буфера может служить ацетатный буферный раствор, содержащий смесь уксусной кислоты и ацетата натрия (СНзСООН + СНзСООNа). При добавлении к такому раствору кисло­ты она взаимодействует с солью и вытесняет эквивалентное коли­чество слабой кислоты: СНзСООNа + НСl ó СН₃СООН + NaСl. В растворе вместо сильной кислоты образуется слабая, и по­этому величина рН уменьшается незначительно. Если к этому буферному раствору добавить щелочь, она нейтра­лизуется слабой кислотой, и в растворе образуется эквивалентное количество соли: СНзСООН + NaОН ó СНзСООNа + Н₂О. В результате рН почти не увеличивается. Для расчета рН в буферном растворе на примере ацетатного буфера рассмотрим процессы, в нем протекающие, и их влияние друг на друга. Ацетат натрия практически полностью диссоциирует на ионы, ацетат-ион подвергается гидролизу, как ион слабой кислоты: СНзСООNа -> Na + + СН₃СОО

СНзСОО — + НОН ó СНзСООН + ОН — . Уксусная кислота, также входящая в буфер, диссоциирует лишь в незначительной степени: СНзСООН ó СН₃СОО+H — Слабая диссоциация СНзСООН еще более подавляется в при-сутствии СНзСООNа, поэтому концентрацию недиссоциированной уксусной кислоты принимаем практически равной ее начальной концентрации:[СНзСООН] = с_r. C другой стороны, гидролиз соли также подавлен наличием в растворе кислоты. Поэтому можно считать, что концентрация аце­тат-ионов в буферной смеси практически равна исходной концент­рации соли без учета концентрации ацетат-ионов, образующихся в результате диссоциации кислоты: [СНзСОО] = с_с. Это уравнение называют уравнением буферного раствора (уравнением Гендерсона Гассельбаха). Его анализ для буферного раствора, образованного слабой кислотой и ее солью, показывает, что концентрация водородных ионов в буферном растворе опреде­ляется константой диссоциации слабой кислоты и соотношением концентраций кислоты и соли. Уравнение Гендерсона-Хассельбаха для буферных систем основного типа:

31.Емкость буферных растворов и факторы, определяющие её. Буферные системы крови. Водородкарбонатный буфер. Фосфатный буфер.

Буферной емкостью (В) называется количество сильной кислоты или сильного основания, которое нужно прибавить к одному литру буферного раствора, чтобы изменить его рН на еди­ницу. Она выражается в моль/л или чаще в ммоль/л и опреде­ляется по формуле: В = (c V) / д pH Vб , где В — буферная емкость; с — концентрация сильной кислоты или основания (моль/л); V — объем добавленного сильного электролита (л); V_б — объем буферного раствора (л); д рН — изменение рН.

Способность растворов поддерживать постоянное значение pH небезгранична. Буферные смеси можно различить по силе оказываемого ими сопротивления по отношению к действию кислот и оснований, вводимых в буферный раствор.

Количество кислоты или щелочи, которое нужно добавить к 1 л буферного раствора, чтобы значение его pH изменилось на единицу, называют буферной емкостью.

Таким образом, буферная емкость является количественной мерой буферного действия раствора. Буферный раствор имеет максимальную буферную емкость при pH = pK кислоты или основания, образующей смесь при соотношении ее компонентов, равном единице. Чем выше исходная концентрация буферной смеси, тем выше ее буферная емкость. Буферная емкость зависит от состава буферного раствора, концентрации и соотношения компонентов.

Нужно уметь правильно выбрать буферную систему. Выбор определяется необходимым интервалом pH. Зона буферного действия определяется силовым показателем кислоты (основания) ±1 ед.

При выборе буферной смеси необходимо учитывать химическую природу ее компонентов, так как вещества раствора, к которым добав-

ляется буферная система, могут образовывать нерастворимые соединения, взаимодействовать с компонентами буферной системы.