Буферные системы.
Протолитический гомеостаз выражается в достаточно постоянных значениях рН биологических сред и в способности восстанавливать рН при поступлении в эти среды кислот и оснований. Нарушение протолитического баланса может угрожать жизни. С помощью физиологических процессов (дыхание, мочевыделение, почки) кислоты и основания выводятся из организма медленно, а быстрая их нейтрализация и поддержание рН жидких сред на необходимом уровне осуществляется за счет физико-химических процессов, среди которых, прежде всего, следует отметить протолитические равновесия в буферных системах.
Буферная система – это равновесная система, способная поддерживать примерно на постоянном уровне какой-либо параметр при незначительных внешних воздействиях. Протолитические буферные системы поддерживают постоянство рН при добавлении небольших количеств кислот и оснований. Раствор, содержащий одну или несколько буферных систем, называется буферным раствором. Буферные системы и буферные растворы часто называют просто буферами.
Буферный раствор – это раствор, содержащий протолитическую равновесную систему, способную поддерживать практически постоянное значение рН при разбавлении или при добавлении небольших количеств кислоты или щелочи.
В протолитических буферных системах компонентами являются донор протона и акцептор протона, представляющие собой сопряженную кислотно-основную пару.
Классификация
Буферные системы могут быть четырех типов:
I тип. Кислотная буферная система: слабая кислота и её анион; в растворе слабая кислота и её соль.
Примеры:
ацетатный буфер:
CН 3 СООН / СН 3 СОО –, в растворе CН 3 СООН и CН 3 СООNa
гидрокарбонатный буфер:
Н 2 СО 3 / НСО 3–, в растворе Н 2 СО 3 и NaHCO 3
II тип. Основная буферная система: слабое основание и её катион; в растворе слабое основание и её соль.
Примеры:
аммиачный буфер:
NН 3 / NН 4+, в растворе NН 3 и NН 4 Сl
III тип. Солевая буферная система: анионы кислой и средней соли или анионы двух кислых солей; в растворе кислая и средняя соль или две кислые соли с различной степенью замещения протона.
Примеры:
гидрофосфатный буфер:
Н 2 РО 4–/ НРО 42–, в растворе NaН 2 РО 4 и Na 2 НРО 4
карбонатный буфер:
НСО 3–/ СО 32–, в растворе NaНСО 3 и Na 2 CO 3
Солевые буферные системы можно отнести и к первому типу, т.к. одна из солей выполняет функцию слабой кислоты.
IV тип. Амфотерная органическая буферная система: ионы и молекулы амфолитов.
Примеры:
аминокислотный буфер:
белковый (протеиновый) буфер: анионный – HProt / (Prot) –
катионный – (Н 2 Prot) + / HProt
Белки в изоэлектрическом состоянии (суммарный заряд молекулы равен нулю) проявляют буферное действие, когда к ним добавляют небольшое количество кислоты или основания.
Эти буферные системы можно отнести к буферным системам первого и второго типов.
Уравнение буферной системы
Уравнение буферной системы выражает зависимость рН буферного раствора от состава буферной системы.
рН = рК а – ℓg 
Анализ уравнения показывает, что величина рН буферного раствора зависит от природы веществ, образующих буферную систему, соотношения концентраций компонентов и температуры (т.к. от нее зависит величина рК а). Для кислотной буферной системы рН зависит от показателя константы диссоциации слабой кислоты рК а и отношения концентраций акцептора протона (соли) и донора протона (кислоты) в растворе. Для основной буферной системы рН зависит от величины рК а сопряженной кислоты данного основания и отношения концентраций акцептора протона (основания) и донора протона (соли) в растворе.
При разбавлении буферных растворов концентрации всех компонентов уменьшаются. Но так как они изменяются одинаково, то их отношение остается неизменным. Величина константы диссоциации слабого электролита не изменяется при разведении. Поэтому рН буферного раствора, согласно уравнению, при разбавлении не меняется. (В действительности это наблюдается до тех пор, пока концентрация компонентов буферных растворов не станет меньше 0,01 моль/л).
Добавление небольших количеств сильной кислоты или щелочи в буферный раствор моментально вызывает защитную реакцию протолитической буферной системы по поддержанию постоянного значения рН среды. Это происходит за счет связывания добавляемых ионов Н + или ОН – соответствующими компонентами буферной системы с образованием малодиссоциирующих соединений. Катионы Н + связываются акцептором протона буферной системы, анионы ОН – связываются донором протона.
Активная кислотность (АК) характеризуется концентрацией свободных ионов водорода в растворе. Потенциальная кислотность (ПК) - кислотность, обусловленная наличием в растворе недиссоциированных молекул кислоты. Общая кислотность (ОК) учитывает активную и потенциальную кислотности.
Буферная емкость
Способность буферного раствора сохранять рН по мере прибавления сильной кислоты или щелочи приблизительно на постоянном уровне далеко не беспредельна и ограничена величиной так называемой буферной емкости.
Буферная емкость раствора – это величина, характеризующая способность буферного раствора противодействовать смещению реакции среды при добавлении сильных кислот или щелочей. Это мера буферного действия.
Буферная емкость измеряется количеством моль эквивалентов кислоты или щелочи, добавление которых к 1 л буферного раствора изменяет рН на единицу. Обозначается В и измеряется в моль/л.
Различают буферную емкость по кислоте и по щелочи.
Буферная емкость по кислоте:
численно равна количеству моль-эквивалентов сильной кислоты, которое нужно добавить к 1 л буферного раствора, чтобы рН изменился на единицу.
Буферная емкость по щелочи:
численно равна количеству моль-эквивалентов щелочи, которое нужно добавить к 1 л буферного раствора, чтобы рН изменился на единицу.
Буферная емкость раствора возрастает по мере увеличения концентрации его компонентов (буферная емкость по кислоте определяется концентрацией акцептора протона, а буферная емкость по щелочи определяется концентрацией донора протона) и приближения соотношения компонентов к единице. 
При разбавлении буферного раствора величина буферной емкости уменьшается вследствие снижения концентрации всех компонентов раствора.
Важным показателем для физиологических сред является буферная емкость по кислоте, т.к. в результате метаболизма (совокупность химических реакций, протекающих в живых клетках) в человеческом организме образуется больше кислотных продуктов, чем основных.
Зона буферного действия
Буферное действие сохраняется в определенном интервале значений рН. Рабочий участок буферной системы, т.е. способность противодействовать изменению рН при добавлении кислот и щелочей, имеет протяженность одну единицу рН с каждой стороны. Вне этого интервала буферная емкость быстро падает до 0.
Интервал рН = рК ± 1 называется зоной буферного действия. Таким образом, на основе кислоты, имеющей определенное значение рК, можно приготовить буферные растворы, поддерживающие значение рН в диапазоне от рК – 1 до рК + 1. Где рК = –lgК
Пример: область действия ацетатного буфера 3,8 – 5,8; область действия гидрокарбонатного буфера 5,4 – 7,4, область действия гидрофосфатного буфера 6,2 – 8,2, область действия аммиачного буфера 8,2 – 10,2.
Установлено, что выраженное буферное действие наблюдается, если концентрация одного из компонентов превышает концентрацию другого не более чем в 10 раз.
Буферные системы крови
Поскольку кровь – не просто внеклеточная жидкость, а взвесь клеток в жидкой среде, то ее кислотно-щелочное равновесие поддерживается совместным участием буферных систем плазмы и клеток крови, главным образом эритроцитов. Различают следующие буферные системы крови: плазменные (гидрокарбонатная, фосфатная, органических фосфатов и белковая) и эритроцитарная (гемоглобиновая, гидрокарбонатная, фосфатная).
Главным буфером плазмы крови является гидрокарбонатная система Н 2 СО 3 / НСО 3–
Гидрокарбонатная(бикарбонатная) буферная система
Она состоит из угольной кислоты и гидрокарбонатов (NaHCO 3 – во внеклеточной жидкости, КНСО 3 – внутри клеток). В организме угольная кислота возникает в результате гидратации диоксида углерода – продукта окисления углеводов, белков и жиров. Причем процесс этот ускоряется под действием фермента карбоангидразы.
СО 2 + Н 2 О ⇄ СО 2 ·Н 2 О ⇄ Н 2 СО 3
Отношение концентраций компонентов в гидрокарбонатной буферной системе крови [Н 2 СО 3 ] / [НСО 3– ] = 1 / 20. Следовательно, гидрокарбонатная система имеет буферную емкость по кислоте значительно больше буферной емкости по основанию. Т.е. этот буфер особенно эффективно компенсирует действие веществ, увеличивающих кислотность крови. К числу таких веществ прежде всего относят молочную кислоту, избыток которой образуется в результате интенсивной физической нагрузки. (В замкнутых помещениях часто испытывают удушье – нехватку кислорода, учащение дыхания. Однако удушье связано не столько с недостатком кислорода, сколько с избытком СО 2. Избыток СО 2 в атмосфере приводит к дополнительному растворению СО 2 в крови, а это соответственно приводит к понижению рН, т.е к ацидозу.)
Механизм буферного действия.
Компоненты: Н 2 СО 3 / НСО 3–
В этой системе донором протона является угольная кислота Н 2 СО 3, а акцептором протона – гидрокарбонат-ион НСО 3–.
Если в кровь поступает кислота и увеличивается концентрация иона водорода, то он взаимодействует с НСО 3–, образуя Н 2 СО 3 и приводит к выделению газообразного СО 2, который выводится из организма в процессе дыхания через легкие.
Н + + НСО 3– Н 2 СО 3 СО 2 + Н 2 О
Концентрация слабой кислоты при этом увеличивается, а концентрация соли (сопряженного основания) на ту же величину уменьшается ⇒ рН не изменится, т.к. АК переходит в ПК. ПК и ОК ↑, а АК не изменяется.
При поступлении в кровь оснований, они связываются угольной кислотой:
ОН – + Н 2 СО 3 НСО 3– + Н 2 О
рН при этом почти не изменится за счет смещения ионизации кислоты вправо в результате связывания одного из продуктов ионизации – протонов – в слабый электролит (воду). Концентрация слабой кислоты при этом уменьшится, а концентрация соли на эту же величину увеличится. рН не изменится, т.к. ПК переходит в АК. ПК и ОК ↓, а АК не изменится.
Главное назначение гидрокарбонатной системы заключается в нейтрализации кислот. Этот буфер является системой быстрого реагирования, т.к. продукт его взаимодействия с кислотами - углекислый газ – быстро выводится через легкие.
Гидрокарбонатный буфер определяет в крови кислотно-щелочное равновесие (КЩР) и является щелочным резервом крови (ЩР). Щелочной резерв крови – показатель функциональных возможностей буферных систем крови, представляющий собой количество двуокиси углерода, которое может быть связано 100 мл плазмы крови, предварительно приведенной в состояние равновесия с газовой средой, в которой парциальное давление СО 2 составляет 40 мм рт. ст., т.е. способность крови связывать СО 2.
Гидрокарбонатный буфер содержится также в эритроцитах, межклеточной жидкости и в почечной ткани.
Гидрофосфатная буферная система
Компоненты Н 2 РО 4–/ НРО 42–
Она состоит из дигидрофосфатов и гидрофосфатов (NaH 2 РO 4 и Na 2 HРO 4 – в плазме крови и межклеточной жидкости, КН 2 РО 4 и К 2 HРO 4 – внутри клеток). Роль донора протона в этой системе играет ион Н 2 РО 4–, а акцептора протона – ион НРО 42–. В норме отношение Н 2 РО 4–/ НРО 42– = 1 / 4. Следовательно, буферная емкость по кислоте больше, чем по основанию.
При увеличении концентрации ионов водорода (например, при переработке мясной пищи), происходит их нейтрализация ионами НРО 42–. Н + + НРО 42– ⇄ Н 2 РО 4–. При увеличении концентрации оснований в организме (например, при употреблении растительной пищи), они нейтрализуются ионами Н 2 РО 4–.
ОН – + Н 2 РО 4– ⇄ НРО 42– + Н 2 О
Избыточное количество дигидрофосфат и гидрофосфат ионов выводится почками.
В отличие от гидрокарбонатной (в которой восстановление отношения достигается в течение 10-18 часов за счет изменения объема легочной вентиляции), в гидрофосфатной системе полное восстановление отношения компонентов происходит только через 2-3 суток. Фосфатный буфер в крови находится в тесной связи с бикарбонатной буферной системой.
Органические фосфаты также обладают буферными свойствами, но мощность их слабее, чем неорганического фосфатного буфера.
Белковая буферная система
Буферные свойства белков крови обусловлены способностью аминокислот ионизироваться. Конечные карбокси- и аминогруппы белковых цепей играют в этом отношении незначительную роль, так как таких групп мало. Значительно больший вклад в создание буферной емкости белковой системы вносят боковые группы, способные ионизироваться.
Белки образуют буферную систему благодаря наличию кислотно-основных групп в молекуле белков.
К буферным белкам крови относятся как белки плазмы (в особенности альбумин), так и содержащийся в эритроцитах гемоглобин.
Особое значение гемоглобинового буфера заключается в том, что кислотность гемоглобина зависит от его степени окисления. При нормальных пределах рН оксигемоглобин является более сильной кислотой, чем дезоксигемоглобин. Это обусловлено влиянием кислорода, связанного с железом, на сродство ближайших имидазольных групп гистидина к ионам водорода. Благодаря этому гемоглобин, освобождаясь в тканях от кислорода, приобретает большую способность к связыванию ионов водорода, а в венозной крови в результате выделения углекислого газа тканями, происходит накопление в крови этих ионов. При поглощении кислорода в легких происходят обратные процессы.
Гемоглобиновая буферная система
Является, разумеется, частью белкового буфера, но выделяется отдельно в связи с особой локализацией — внутри эритроцитов — и особой функцией.
Представлена кислотами гемоглобином и оксигемоглобином и сопряженным им основаниями – соответственно гемоглобинат и оксигемоглобинат ионами.
Компоненты НHb / Нb – и НHbО 2 / НbО 2–
Гемоглобиновый буфер – главная буферная система эритроцитов, на долю которой приходится около 75% всей буферной емкости крови. Оксигемоглобин более сильная кислота, чем гемоглобин. Участие гемоглобина в регуляции рН крови связано с его ролью в транспорте кислорода от тканей к легким и угольной кислоты. Системы гемоглобина и оксигемоглобина являются взаимопревращающимися системами и существуют как единое целое. Эта система эффективно функционирует только в сочетании с другими буферными системами крови. Эта буферная система в эритроцитах тесно связана с гидрокарбонатной системой.
В эритроцитах рН поддерживается постоянным благодаря действию трех буферных систем:
Сила этих кислот и оснований изменяется следующим образом:
HHb < H2CO3 < HHbO2
Hb– > HCO3– > HbO2–
Перенос протона происходит по схеме:
В капиллярах тканей
Кислород отдают тканям оксигемоглобиновая кислота и его сопряженное основание (гемоглобинат-ион).
HHbO2 ® O2 + HHb
В результате метаболизма накапливаются углекислый газ и вода, образуя угольную кислоту, которая взаимодействует с сильным основанием Hb–с образованием слабой кислоты HHb и основания средней силы НСО3–.
HHb и НСО3–диффундируют через оболочку эритроцитов в плазму и уносятся с током крови в легкие.
В капиллярах легких слабая кислота HHb связывает О2, образуется сильная кислота HHbO2,
HHb + O2 ® HHbO2
которая частично взаимодействует с основанием HCO3–с образованием Н2СО3,
а частично вместе с сопряженным основанием HbO2–возвращается с током крови в ткани. Образовавшаяся Н2СО3 разлагается под действием фермента карбоангидразы на воду и углекислый газ,
Н2СО3 
Н2О + СО2
которые выводятся через легкие.
Помимо буферных систем крови, активное участие принимают также система дыхания и мочевыделительная система.
Ацидоз и алкалоз
При ряде патологических состояний в крови накапливаются такие большие количества кислот или оснований, что буферные системы крови, дыхательная и выделительная системы уже не могут поддерживать рН на постоянном уровне. В зависимости от того, в какую сторону изменяется реакция крови, различают 2 типа нарушений КЩР.
Понижение рН крови по сравнению с нормальным уровнем (рН ‹ 7,37) называется ацидозом, а повышение (рН › 7,43) - алкалозом.
Ацидоз – смещение рН в кислую сторону, рН уменьшается, концентрация ионов водорода растет.
Алкалоз – смещение рН в щелочную область, рН растет, концентрация ионов водорода уменьшается.
Каждый из этих двух типов подразделяется еще на несколько разновидностей в зависимости от причины сдвига рН. Такие сдвиги могут наступать при изменениях вентиляции легких (поражения легких могут сопровождаться увеличением напряжения СО2 в крови, и гипервентиляции приводят к снижению этого напряжения. Подобные состояния называют дыхательным (респираторным) ацидозом или алкалозом.
Дыхательный ацидоз
Характеризуется повышением парциального давления СО2 и концентрации углекислоты в крови, а также компенсаторным подъемом гидрокарбонатов чаще всего наблюдается: при пневмонии; при недостаточности кровообращения с застоем в малом кругу кровообращения; под влиянием препаратов, угнетающих дыхательный центр (морфий и его производные); при общем наркозе.
Дыхательный алкалоз
Развивается, когда вследствие альвеолярной гипервентиляции возникает гипокапния - Р (СО2) 36 мм рт. ст. Несмотря на то, что содержание гидрокарбоната несколько падает вследствие уравновешивания между СО2 и Н2СО3, отношение [НСО3] к [α·Р (СО2)] повышается, а поэтому повышается и рН.
При стойкой гипокапнии клетки почечных канальцев выводят дополнительное количество гидрокарбоната, восстанавливая нормальное отношение [НСО3] к [α·Р (СО2)]. Восстановление рН может быть почти полным и этот процесс называют компенсированным дыхательным алкалозом.
При нарушениях обмена веществ в крови могут накапливаться нелетучие кислоты; напротив, поступление в кровь оснований или потеря НСl могут сопровождаться уменьшением содержания этих кислот. Такие состояния называют метаболическим ацидозом или алкалозом легких. Метаболический алкалоз с первичным повышением концентрации гидрокарбонатов встречается при: Избыточном и бесконтрольном введении щелочных растворов, Упорной рвоте, Дефиците калия в организме, Врожденном алкалозе с гипокалиемией. Метаболический ацидоз, характеризующийся уменьшением концентрации НСО3¯ в плазме, наблюдается при следующих заболеваниях и состояниях: У детей периода новорожденности, Токсические состояния на почве ЖКЗ у детей раннего возраста, Голодание, После длительного введения хлорида аммония или хлорида кальция, Диабетическая кома, Почечная гломерулярная недостаточность.
Поскольку рН крови может изменяться также при поражениях почек, сдвиги КЩР, обусловленные почечными или обменными нарушениями объединяют под названием нереспираторный ацидоз или алкалоз.
Оценка КЩР
Оценка КЩР крови имеет большое значение в клинике. Для такой оценки необходимо измерить ряд показателей, позволяющих выявить у больного ацидоз либо алкалоз и судить о том, является он респираторным или нереспираторным.
Заключение о состоянии КЩР позволяет выбрать правильное лечение. Необходимо измерить следующие показатели артериальной крови:
1. РН.
По величине рН можно судить о том, является ли содержание ионов Н в крови нормальным (рН 7,37-7,43) или сдвинуто в ту либо иную сторону. В то же время нормальное значение рН еще не позволяет с уверенностью говорить об отсутствии нарушения КЩР, т.к. в этом случае нельзя исключить компенсированный ацидоз, либо алкалоз.
2. Парциальное давление углекислого газа.
Повышение или снижение напряжения СО2 по сравнению с его нормальным уровнем (35-45 мм рт. ст.) служит признаком респираторного нарушения КЩР.
3.Избыток оснований (base excess, ВЕ).
По величине ВЕ можно сделать вывод о наличии нереспираторного нарушения КЩР. Изменения этой величины (норма от-2,5 до +2,5 ммоль/л) непосредственно отражают снижение или увеличение содержания нелетучих кислот в крови.
4.Стандартный бикарбонат.
В качестве показателя нереспираторного нарушения КЩР иногда используют так называемый “стандартный бикарбонат”. Это величина соответствует содержанию бикарбоната в плазме крови, полностью насыщенной с газовой смесью. В норме “стандартный бикарбонат” равен 24 ммоль/л. Этот показатель не отражает буферный эффект белков, поэтому он сравнительно малоинформативен.
Буферные системы слюны.
К буферным системам слюны, участвующим в регуляции кислотно-основного равновесия, относят бикарбонатный, гидрофосфатный и белковый. При этом на долю бикарбонатного буфера приходится 80% буферной емкости слюны. Второй по значению считается гидрофосфатная, третьей – белковая. Буферная емкость варьирует и может зависеть от характера питания, времени суток, состояния ЖКТ.
Буферные свойства слюны обеспечивают нейтрализацию кислот, вырабатываемых патогенными микроорганизмами, а также играют определенную роль в нейтрализации кислого содержимого желудка.
К факторам, определяющим кислотно-основное состояние полости рта относятся: состав пищи и питьевой воды, количество и состав слюны, десневой жидкости, зубного налета, микрофлора, а также применяемые средства гигиены для полости рта, курение, профессиональные факторы, наличие зубных протезов и ортодонтических аппаратов, заболеваний зубов, десен, слизистой полости рта.
Кислотно-основное состояние слюны активно влияет на ре – и деминерализацию эмали зубов, образование зубного налета, выраженность механизмов защиты полости рта, на состояние тканей пародонта (комплекс тканей, окружающих зуб) и слизистой оболочки. Нарушение кислотно-основного гомеостаза способствует усилению деминерализации эмали.
Буферная емкость слюны, то есть способность нейтрализовывать кислоты и щелочи, рассматривается как защитный механизм при действии, прежде всего, кислых продуктов на зубы. Буферная емкость нестимулированной слюны составляет 4,45-4,65 ммоль/л НС1, а стимулированной — 5,09-5,29 ммоль/л НС1. Следовательно, стимулированная слюна (собранная во время еды) обладает более высокой буферной емкостью (ЕЕ), чем слюна, выделяемая в промежутках между приемами пищи.