Тема: Протолитические равновесия и процессы

1. 
   Основные типы протолитических реакций. Конкуренция за протон: изолированные и совмещенные протолитические равновесия.
   

1. 
   Буферное действие - основной механизм протолитического гомеостаза организма.
   
2. 
   Взаимосвязь гидрокарбонатной и гемоглобиновой буферных систем.
   
3. 
   Расчет рН буферных систем, уравнение Гендерсона-Гассельбаха.
   
4. 
   Сравнительная характеристика ёмкости буферных систем крови.
   
5. 
   Щелочной резерв крови, его смещение. Ацидоз. Алкалоз.
   
6. 
   Понятие о кислотно-основном состоянии организма (КОС).
   
7. 
   Контроль на входе: тестовый контроль (письменно), фронтальный опрос.
   

1. 
   Влияние разведения на рН буферного раствора.
   
2. 
   Определение буферной емкости растворов.
   
3. 
   Влияние разведения на буферную ёмкость.
   
4. 
   Определение буферной емкости сыворотки крови по кислоте и щелочи.
   

4. 
   Контроль (на выходе): самостоятельных расчетов и объяснений результатов
   

5. 
   Библиографический список:
   

В химии для описания реакций протекающих как в водных, так и безводных средах и сопровождающихся изменением кислотно-основных свойств реагиру­ющих веществ, пользуются протолитической теорией (Дж. Бренстенд, Т. Лоури, Н. Бьерум, 1923 г), которая расширяет понятия "кислота" и "основание" по срав­нению с классической теорией кислот и оснований С. Аррениуса.

Протолитические равновесия всегда стремятся к смещению в сторону об­разования более слабых кислот и оснований.

Протолитическое равновесие можно рассматривать как конкуренцию раз­личных по силе оснований за обладание протоном.

НС1 + н₂о Ц CI" + н₃о⁺

к-та осн. со. с.к.

к-та осн. со. с.к.

Если же в одновременно существующих равновесиях имеется несколько тождественных по типу химической реакции частиц, то эти равновесия являются совмещенными (сопряженными или конкурирующими):

I. НС1 + NH Ц CI" +NH/

3 ^ 4

П. НС1 + CH₃NH₂ Ц CI" + CH₃NH₃⁺

pK_B(NH₄⁺) = 14 - pK_B(NH₃) = 14 - 4,76 = 9,24 (более сильная кислота); pK^C^NH ) = 3,34 (более сильное основание); pK^C^NH/) = 14 - pK^C^NH^ = 14 - 3,34 = 10,66.

Так как CH₃NH₂ более сильное основание, оно полнее будет связывать про­тон и преобладающим будет второй (II) процесс. Если же заменить CH₃NH₂ на C₆H₅NH₂, то:

_PK_B(NH₃) = 4,76;

pK_B(C₆H₅NH₂) = 9,37, аммиак окажется более сильным основанием и из двух равновесий будет преоб­ладать первое (I):

I. НС1 + NH ц CI" +NH/

3 ^ 4

П. НС1 + C₆H₅NH₂ Ц CI" + C₆H₅NH₃⁺ Обобщим приведенные примеры:

выигрывает конкуренцию

Вывод: Более сильные основания подавляют ионизацию более слабых при их одновременном присутствии в растворе. Точно так же, как сильные кислоты (НО) уменьшают степень ионизации (т. е. диссоциации) слабых кислот (СН₃СООН).

2.2. Буферное действие - основной механизм протолитического гомеостаза организма

Фосфатная буферная система содержится не только в крови, но и во внут­

риклеточной жидкости и тканях. Важную роль она играет в физиологических процессах, протекающих в почках. Учитывая, что во внутриклеточной жидкости содержатся катионы калия, фосфатная система записывается как смесь солей КН₂Р0₄ и К₂НР0₄. Основной процесс, происходящий в фосфатной системе -процесс диссоциации иона Н₂Р0₄" .

2 4^ 4 к-та осн.

При увеличении концентрации ионов водорода во внутриклеточной жид­кости, например, в результате переработки мясной пищи, происходит реакция: НРО 2- + Н⁺ Ц Н РО -

4 ^24 осн. к-та.

Образующийся избыточный гидрофосфат выводится почками в виде соли КН₂Р0₄, что приводит к снижению величины рН мочи. При увеличении концен­трации ионов ОН " в организме, например, при употреблении пищи растительно­го происхождения, происходит реакция: Н РО " Ц Н⁺ + НРО/"

2 4^ 4 к-та осн.

Образующий избыточный гидрофосфат выводится почками в виде соли. В результате значение рН мочи повышается. Выведение тех или иных компонентов фосфатной буферной системы мочой в зависимости от перерабатываемой пищи, объясняет широкий диапазон значений рН мочи - 4,8 - 7,5.

Фосфатные буферные системы участвуют в работе клеточных мембран. Основными компонентами буферной системы в мембране являются эфиры фос­форных кислот - фосфолипиды, составляющие основу мембраны, в том числе мембраны эритроцитов. Липидный слой (матрикс) мембран двойной, углеводо­родные длинные цепи (хвосты) жирных кислот обращены друг к другу и образу­ют гидрофобную толщу мембраны, а полярные группы фосфатные и спиртовые (холин, этаноламин) направлены наружу. Интегральные мембранные белки тоже содержат гидрофобные и гидрофильные части молекул, первые вступают во вза­имодействие с гидрофобными частями липидных молекул, вторые - располага­ются на поверхности мембраны, контактируют с полярными "головками" липи-дов. Потенциометрическое титрование индивидуальных фосфолипидов показы­вает, что они являются слабыми кислотами и диссоциация фосфатной группы характеризуется значением рК_а = 6,8 - 7,2. Это означает, что в составе мембраны фосфолипиды находятся в виде неионизированных и ионизированных молекул (1:1,5 в пользу соли).

Из этого следует вывод, что сама мембрана представляет собой буферную систему, поддержание рН которой и поддержание рН внутренней среды клетки, осуществляется так же по механизму буферного действия.

Белковые буферные системы относятся к амфолитным, т. к. в состав бел­

ков входят а-аминокислоты, содержащие группы с кислотными свойствами (- СООН и NH₃⁺) и группы с основными свойствами (- COO ^_ и NH ). Поскольку белки - это сочетание разнообразных по строению остатков аминокислот, то их кислотно-основные свойства подобны свойствам аминокислоты общего вида: H₂N-R- СООН

В кристаллическом состоянии а-аминокислоты имеют биполярно-ионное строение:

H₃N⁺-R- СОО-

В водных растворах, в зависимости от рН среды, аминокислоты могут нахо­диться в виде нейтральных молекул, имеющих биполярно-ионное строение кати­онов и анионов:

H₃N⁺ - R - СООН Ц H₃N⁺ - R - COO - Ц H₂N - R - COO"

катион -H⁺ нейтральная молекула -Н⁺ анион

рН < pi рН = pi рН > pi

Значение рН среды, при котором аминокислота находится только в виде нейтральных молекул, называется изоэлектрической точкой, обозначается pi. При­родные а-аминокислоты имеют значение изоэлектрической точки в пределах от 4 до 7.

Кислотно-основное равновесие, наблюдаемое для аминокислот, характер­но и для белков, нейтральные молекулы которых так же имеют биполярное стро­ение:

H₃N⁺ - Prot - СООН Ц H₃N⁺ - Prot - COO - Ц H₂N - Prot - COO -

катион -H⁺ нейтральная молекула -Н⁺ анион

Белковые буферные системы разделяются на кислотные и основные. Кис­лотные состоят из нейтральных молекул белка (основание) и его катионов, игра­ющих роль кислоты.

Кислотная белковая буферная система:

H₃N⁺ - Prot - COO" + Н⁺ Ц H₃N⁺ - Prot - СООН

основание

H₃N⁺ - Prot - СООН + ОН" Ц H₃N⁺ - Prot - COO" + Н₂0

кислота

H₂N - Prot - COO" + Н⁺ Ц H₃N⁺ - Prot - COO"

основание

H₃N⁺ - Prot - COO-+ ОН-Ц H₂N - Prot - COO + H₂0

кислота

Кислотная белковая система поддерживает постоянное значение рН в кис­лых средах, основная буферная система - в щелочных.

Гидрокарбонатная и гемоглобиновая буферные системы тесно связаны

друг с другом. На поглощение кислорода гемоглобином и освобождение его оксигемоглобином существенное влияние оказывает оксид углерода (IV). Взаи­мосвязь этих систем гуморально и физиологически регулирует акт вдоха и выдо­ха.

Оксигемоглобин ННЪ0₂ более сильная кислота, чем гемоглобин ННЪ. При рН=7,25 (внутри эритроцитов) оксигемоглобин ионизирован на 65%, а гемогло­бин на 10%. При присоединении кислорода к гемоглобину идет снижение рН, т. к. образуется более сильная кислота. По мере отдачи 0₂ оксигемоглобином в тканях рН крови вновь возрастает. Процесс переноса 0₂ и поддержания постоянного рН крови тесно связаны между собой.

Из легких С0₂ выделятся за счет легочной вентиляции.

Поступающий в легкие кислород создает достаточно большое давление, что позволяет в этих условиях перенести его к тканям в виде КНЬ0₂.

2.4. Расчет рН буферных систем, уравнение Гендерсона-Гассельбаха

В ходе работы с различными биологическими материалами нужны буфер­ные растворы с различными значениями рН. Значение рН буферного раствора можно рассчитать, используя значение константы диссоциации кислоты или ос­нования и вводя его в уравнение Гендерсона-Гассельбаха, которое было выведе­но впервые для определения рН крови на основе гидрокарбонатного буфера, компонентом которого является слабая угольная кислота Н₂С0₃. В результате метаболических реакций в организме образуется оксид углерода (IV) - С0₂, кото­рый вступает в реакцию:

С0₂ + Н₂0 Ц Н₂С0₃, где Н₂С0₃ диссоциирует по уравнению:

н₂со₃ ц н⁺ + нсо₃-

Кислотность среды определяется концентраций ионов Н⁺, образующихся при диссоциации. Используя константу диссоциации этой кислоты, можно опре­делить концентрацию ионов водорода:

К„

[H⁺].[HCOj] \_нлК_а.[н₂со,} [Я₂С<9₃] >^{отсюда 1 J} [HCQ-]

2.5. Сравнительная характеристика ёмкости буферных систем крови

Способность буферного раствора сохранять значение рН по мере прибав­ления сильной кислоты или щелочи приблизительно на постоянном уровне дале­ко не беспредельна и ограничена величиной буферной емкости.

Плазма крови (рН =7,4), буферная емкость (в %) Буферная емкость гидрокарбонатной системы - 35% Буферная емкость белковой системы - 7% Буферная емкость фосфатной системы - 2%

Таким образом, 44%) общей буферной емкости приходится на плазму кро­ви.

Буферная емкость гемоглобиновой системы 35% Буферная емкость гидрокарбонатной системы 18%) Буферная емкость фосфатной системы 3%

Таким образом, 56% общей буферной ёмкости.

НСО//Н₂С0₃ > _R , ^{белК0ЮЯ} > НРО/УЩЮ; > —кислотная

уменьшение мощности буферных систем

2.6. Щелочной резерв крови, его смещение. Ацидоз. Алкалоз

Буферная емкость буферных систем крови ограничивается щелочным ре­зервом крови. Щелочной резерв измеряется объемом С0₂, химически связанной (в виде гидрокарбонатов) со 100 мл плазмы крови, насыщенной газом с парци­альным давлением С0₂ (рС0₂) 53,3 гПа (как в альвеолярном воздухе). Резервную щелочность выражают в объемных долях химически связанного в крови С0₂, в норме она соответствует объемной доле 50-70%) (или 25-30 ммоль/л).

Щелочной резерв крови обеспечивает не только гидрокарбонат-ион НС0₃", но и другие ионы: НР0₄²", ЫЪ", которые выполняют роль сопряженных основа­ний. Если в кровь поступает большое количество кислот, то значительная часть возникающих при их диссоциации Н⁺-ионов связывается щелочным резервом ЫЪ", НС0₃", НР0₄²", и происходит лишь небольшое изменение рН в крови, не­смотря на поступление в нее значительных количеств кислот.

При поступлении же в кровь больших количеств щелочных продуктов в результате гидролиза солей, они взаимодействуют со свободными кислотами Н₂С0₃, ННЬ, или Н₂Р0₄" в результате чего образуется эквивалентное количество НО.

В большей мере буферным системам крови приходится противодейство­вать изменению рН в сторону уменьшения его значения, поскольку в процессе усвоения пищи в организме генерируется значительное количество С0₂ и орга­нических кислот.

В случае снижения концентрации ЫЪ", НС0₃", НР0₄²", т. е. щелочного резер­ва крови, по каким-либо причинам, образовавшиеся кислоты в результате обме­на веществ, останутся свободными, произойдет снижение рН, что приведет к ацидозу.

Таким образом, ацидоз - это снижение щелочного резерва крови. Повыше­ние концентрации НЪ", НС0₃", НР0₄²" и снижение обменных процессов, в резуль­тате чего снизится образование С0₂ и органических кислот, может привести к повышению щелочного резерва - алкалозу. При этом возможно возрастание рН крови.

Снижение рН крови в результате ацидоза называется ацидемией, повыше­ние рН крови в результате алкалоза называются алкалемией.

Одной из важнейших сторон гомеостаза является стремление организма для каждой из его жидкостей и клеток поддерживать определенную оптимальную концентрацию ионов водорода - рН, например, в клетках простаты рН=4,5, в остеобластах рН=8,5. Значение рН крови отличается высоким постоянством: ве­нозная кровь - рН=7,36 - 7,38, артериальная кровь - рН=7,4.

Сохранение постоянства кислотности жидких сред имеет для организма пер­востепенное значение, потому что:

1. 
   Ионы Н⁺ оказывают каталитическое действие на многие биохимические превращения.
   
2. 
   Ферменты и гормоны проявляют биологическую активность при строго определенных значениях рН.
   
3. 
   Даже небольшое изменение концентрации ионов Н⁺ в крови и межткане­вой жидкости ощутимо влияет на величину осмотического давления в этих жид­костях.
   

Изменение парциального давления С0₂ связано с нарушением функции дыхания, гипо- или гипервентиляцией легких, в результате чего возникают дыха­тельный ацидоз или алкалоз.

1. 
   заболевания легких и дыхательных путей (пневмония, отек легких, инородные тела в верхних дыхательных путях и др.);
   
2. 
   повреждения (заболевания) дыхательной мускулатуры;
   
3. 
   угнетение дыхательного центра в результате применения лекарственных средств или наркотиков.
   

1. 
   лихорадочного состояния или истерии;
   
2. 
   при вдыхании чистого кислорода или компенсаторной одышке.
   

1. 
   избыточного введения или образования стойких кислот (поступление кетокислот при голодании и диабете, повышение содержания молочной кислоты при шоке, повышение содержания H₂S0₄ при усиленном катаболизме, т. е. в процессе распада биомолекул;
   
2. 
   неполного удаления кислот при почечной недостаточности;
   

1. 
   потери Н⁺ (высокая кишечная непроходимость, рвота и др.);
   
2. 
   увеличения концентрации НС0₃" (потеря воды, введение солей органи­ческих кислот, метаболирующих с поглощением Н⁺).
   

Таблица № 8

pC0₂, BE, НС0₃", их значения в норме:

рС0₂ - парциальное давление С0₂ составляет:

артериальная кровь 35-45 мм рт. ст.

венозная кровь 41-49 мм. рг. ст.

BE - (Base excess) - разница между реальной и нормальной концентрацией

буферных оснований ) 2,3 ммоль/л

НС0₃" (стандартные бикарбонаты или SB):

артериальная кровь 21-25 ммоль/л

венозная кровь 21-29 ммоль/л

Помимо этих показателей могут определятся:

АВ - истинная концентрация НС0₃" - в плазме в норме составляет 24 ммоль/л ВВ - сумма оснований всех буферных систем в норме составляет 50 ммоль/л BE - реальная концентрация буферных оснований минус 50 ) 2,3 (ммоль/л) При значениях BE:

от ) 3 кислотно-щелочное состояние является < N (нормальным), от ) (3-5) стресс - нормальным, от ) (6-9) тревожным.

3. Лабораторные работы 3.1. Влияние разведения на рН буферного раствора

В пробирке приготавливают буферную смесь из 5 мл 0,1 М раствора уксус­ной кислоты и 5 мл 0,1 М раствора натрия ацетата. Переносят в другую пробирку 2 мл этой смеси и добавляют 6 мл дистиллированной воды. В каждую пробирку прибавляют по 2 капли индикатора метилового красного и перемешивают. Срав­нивают окраску растворов и делают вывод о влиянии разбавления на рН буфер­ного раствора.

В одну колбу наливают 10 мл буферного раствора с рН= 5 (предварительно смешивают 4 мл 0,1 М раствора уксусной кислоты и 6 мл раствора натрия ацета­та), в другую - 10 мл 0,0001 М раствора хлороводородной кислоты с рН= 5, в оба раствора прибавляют по 3 капли индикатора метилового красного. Окраска обо­их растворов одинакова. Затем растворы осторожно титруют 0,1 М раствором гидроксида натрия до появления лимонно-желтой окраски (рН = 6,3) и рассчиты­вают буферную ёмкость по формуле:

где: В_щ - буферная емкость раствора по щелочи; ^б_Уф р _ра ~~ объем буферного раствора;

C_f - молярная концентрация эквивалента раствора гидроксида натрия;

У_щ - объем раствора гидроксида натрия;

рН₀ - начальное значение рН буферного раствора;

рН - конечное значение рН буферного раствора.

Сравнивают полученные величины буферной емкости для ацетатного бу­ферного раствора и 0,00001 М раствора НС1, и делают вывод имеет ли буферную

ёмкость раствор НС1.

Буферный раствор с рН = 5 (4 мл 0,1 М раствора уксусной кислоты + 6 мл 0,1 М раствора ацетата натрия) в колбе разбавляют вдвое дистиллированной во­дой и определяют его буферную ёмкость, как в предыдущей работе (см. работу № 3.2). Делают вывод о том, как изменяется рН буферного раствора при разведе­нии его вдвое. Сравнивают влияние разведения буферного раствора на его бу­ферную ёмкость с влиянием разведения буферного раствора на его рН.

В две чистые колбы наливают по 5 мл сыворотки крови (рН=7,4). Затем в одну колбу прибавляют 2 капли индикатора фенолфталеина и титруют 0,1 М ра­створом NaOH до появления слабого розового окрашивания (рН= 8,4). Вычисля­ют буферную емкость сыворотки крови по щелочи по формуле, которая приве­дена в работе 3.2. В другую колбу добавляют 2 капли индикатора метилового оранжевого и титруют 0,1 М раствором хлороводородной кислоты до появления оранжево-розового окрашивания (рН =3,4). Вычисляют буферную емкость сы­воротки по кислоте:

где: В_к - буферная емкость сыворотки крови по кислоте;

сыв. крови г ^г '

C_f - молярная концентрация эквивалента добавленного раствора кисло­ты;

У_кш - объем добавленного раствора кислоты; рН₀ - начальное значение рН = 7,4; рН - конечное значение рН =3,4.

Сравнивают вычисленные значения буферной емкости сыворотки крови по щелочи и по кислоте. Объясняют, почему они различны и указывают, какие буферные системы обусловливают буферную емкость сыворотки крови.

4. Эталоны решения задач Задача № 1. Рассчитайте рН раствора, состоящего из 100 мл раствора ук­сусной кислоты с С(СН₃СООН) = 0,1 моль/л и 100 мл раствора натрия ацетата с C(CH₃COONa) = 0,1 моль/л, если К_а(СН₃СООН) = 1,8 • 10"⁵.

Дано:
V(CH3COOH) =	1000 мл
С(СН3СООН) =	0,1 моль/л
C(CH3COONa)	= 0,1 моль/л
1Ка(СН3СООН) =	= 1,8-10-
рН = ? г раствора

Решение:

рН = рК_а(СН₃СООН) + lg рН= - lg l,8-10"² + lgl =4,76

2 4 ⁺⁵ 4

3. 
   Как происходит процесс ионизации (диссоциации) слабой кислоты (сла­бого основания)? Чем он отличается от процесса ионизации (диссоциации) соли?
   
4. 
   Что такое константа ионизации (диссоциации) слабой кислоты (слабого основания)? Что такое показатель константы ионизации (диссоциации) - рК_а?
   
5. 
   Каков состав буферных растворов?
   
6. 
   Как рассчитать рН буферных растворов?
   
7. 
   Что такое буферная емкость? Какие факторы, влияют на нее?
   
8. 
   Каков механизм действия гидрокарбонатного буфера?
   
9. 
   Что в фосфатном буфере выполняет роль кислоты?
   

10. 
    Какая буферная система вносит максимальный вклад в буферную ем­кость крови?
    
11. 
    Каков механизм действия протеинового буфера?
    
12. 
    Зачем в организме создается резерв С0₂?
    
13. 
    Объясните возможность наступления состояния ацидоза, алкалоза.