Буферное действие растворов

В процессе обмена веществ постоянно образуются промежуточ­ные продукты кислого или щелочного характера, которые должны были бы сильно изменять активную реакцию внутренней среды ор­ганизма. Однако этих изменений либо совсем не происходит, ли­бо наблюдаются незначительные сдвиги рН. Это объясняется на­личием в организме систем веществ, обладающих буферными свойствами, которые проявляются в связывании избытка водородных или гидроксильных ионов в слабо диссоциирующие молекулы. Буферное действие сохраняется при разбавлении и концентрировании буферных растворов.

Типичные буферные системы представляют собой смеси рас­творов слабых кислот с растворами их солей от сильных оснований или смеси растворов слабых оснований с растворами их солей от сильных кислот (табл. 4).

Таблица 4. Наиболее распространенные буферные системы живых организмов.

Бикарбонатный буфер составляет 53% буферной емкости кро­ви, фосфатный - 5%, белковый буфер плазмы - 7%, гемоглобиновый - 35%. Внутри клеток макси­мальной буферной емкостью обладают белковые системы, несколько меньшей - фосфатная и бикарбонатная. В эритроцитах более 80% буферной емкости обеспечива­ют системы гемоглобина и оксигемоглобина.

Действие буферных систем рассмотрим на примере бикарбонатной системы. Считая диссоциацию угольной кислоты незначительной, а диссоциацию ее соли полной, состав бикарбонатной системы можно представить таким образом: Н₂СО₃ + НСО₃^- + Na⁺. Если к этой системе добавить избыток сильной кислоты, напри­мер часто образующейся в обменных процессах молочной кислоты, почти пол­ностью диссоциированной на ионы СН₃СНОНСОО^- и Н⁺, то в реакцию с избыт­ком водородных ионов вступят анионы НСО₃^-:

СН₃СНОНСОО^- + Н⁺ + НСО₃^- + Na⁺ = СН₃СНОНСОО^- + Na⁺ + Н₂СО₃. Образуются слабодиссоциирующие мо­лекулы Н₂СО₃, в которых избыток водородных ионов оказывается связанным. Остающиеся в растворе анионы СН₃СНОНСОО^- и катионы Na⁺ не влияют на активную реакцию среды раствора. Мо­лекулы угольной кислоты Н₂СО₃ разлагаются с выделением углекислого газа:

Н₂СО₃ = Н₂O + CO₂.

Если к этой буферной системе добавить избыток щелочи, например NаОН, почти полностью диссоциированной в растворе на ионы Na⁺ и ОН^-, то в реак­цию с избытком гидроксильных ионов вступают молекулы Н₂СО₃, степень дис­социации которых увеличивается вследствие связывания водородных ионов с гидроксильными в слабо диссоциирующие молекулы воды:

Н₂СО₃ = Н⁺ + НСО₃^-; Н⁺ + НСО₃^- + Na⁺ +ОН^- = Н₂O +Nа⁺ + НСО₃^-.

Остающиеся в растворе анионы НСО₃^- и катионы Nа⁺ не влияют на активную реакцию среды. По этому же принципу действуют и другие буферные системы.

Буферное действие системы не безгранично. При добавлении слишком большого количества кислоты или щелочи запас буфер­ных веществ системы исчерпывается и активная реакция среды изменяется. Количественное выражение способности раствора к буферному действию называется буферной емкостью. Она измеря­ется числом грамм-эквивалентов сильной кислоты или щелочи, ко­торое нужно прибавить к 1 л раствора, чтобы его рН изменился на 1.

Способность буферных систем нейтрализовать кислоты значи­тельно больше, чем способность нейтрализовать щелочи. Буферные системы срабатывают быстро – в течение нескольких секунд. Основным механизмом поддержания постоянства реакции сре­ды при накоплении большого количества щелочей является выде­ление с мочой избытка щелочных солей. При избытке кислот уси­ливается выведение с мочой ионов Н⁺, а щелочные соли удержи­ваются в крови. Из кровеносных капилляров в клетки стенок почечных канальцев по­ступает СО₂. Под действием карбоангидразы из него обра­зуется угольная кислота, диссоциирующая на ионы Н⁺ и НСО₃^-. Распад угольной кисло­ты усиливается тем, что из просвета почечного канальца в клетку поступают ионы нат­рия, содержащиеся в первич­ной моче. На их место в мочу выделяются водородные ионы. Моча закисляется, а бикарбо­нат выделяется из клетки в кровь, увеличивая ее щелочной резерв. Уменьшение кис­лотности крови за счет закисления мочи происходит также при превращении в почках двузамещенных фосфатов в однозамещенные и при связывании водород­ных ионов с молекулами аммиака в ионы аммония, которые по­ступают в мочу.

Нормализация кислотно-щелочного равновесия с участием по­чек осуществляется сравнительно медленно - за 10-20 часов.

В поддержании постоянства рН организма значительную роль играют процессы дыхания, так как образующийся углекислый газ усиленно выводится через легкие. Влияние дыхательной системы на кислотно-щелочное равновесие проявляется через 1-3 мин после наметившегося сдвига его в крови.

В покое реакция крови и клеточного содержимого слабощелоч­ная: рН артериальной крови равен 7,37-7,41, венозной - 7,34-7,35, в клетке он немного ниже. При поступлении с пищей большо­го количества кислых или щелочных продуктов, выполнении на­пряженной мышечной работы или при заболеваниях рН может из­меняться, но в очень небольших пределах: рН крови колеблется от 7,0 (у высокотренированных спортсменов от 6,8) до 7,7; в клет­ках - от 6,0 до 8,0; в моче - от 5,5 до 7,5. Изменение рН про­исходит только после исчерпания буферных резервов. Состояние организма, характеризующееся накоплением веществ кислого ха­рактера, получило название ацидоза, а щелочного- алкалоза. Если рН при этом остается без изменения, то ацидоз или алкалоз называется компенсированным. При изменении активной реакции среды говорят о некомпенсированных ацидозе или алкалозе.

Так как в ходе метаболических реакций образуется больше кислых, чем щелочных, продуктов, особое значение имеет щелочной буферный резерв. Его можно несколько повысить, увеличив по­требление растительных продуктов и систематически выполняя специальные физические упражнения.