Równowaga kwasowo-zasadowa odgrywa ogromną rolę w normalnym funkcjonowaniu ludzkiego organizmu. Krew krążąca w ciele to mieszanina żywych komórek, które znajdują się w płynnym środowisku. Pierwszym zabezpieczeniem kontrolującym poziom pH we krwi jest system buforowy. Jest to mechanizm fizjologiczny, który zapewnia utrzymanie parametrów równowagi kwasowo-zasadowej poprzez zapobieganie spadkom pH. Co to jest i jakie ma odmiany, dowiemy się poniżej.
Opis
System buforowy to unikalny mechanizm. W ludzkim ciele jest ich kilka i wszystkie składają się z osocza i komórek krwi. Bufory to zasady (białka i związki nieorganiczne), które wiążą lub oddają H+ i OH-, niszcząc zmianę pH w ciągu trzydziestu sekund. Zdolność buforu do utrzymania równowagi kwasowo-zasadowej zależy od ilości pierwiastków, z których się składa.
Rodzaje buforów krwi
Krew, która nieustannie się porusza, to żywe komórki,które istnieją w ciekłym medium. Normalne pH wynosi 7, 37-7, 44. Wiązanie jonów zachodzi z pewnym buforem, klasyfikacja układów buforowych jest podana poniżej. Sam składa się z osocza i komórek krwi i może być fosforanem, białkiem, wodorowęglanem lub hemoglobiną. Wszystkie te systemy mają dość prosty mechanizm działania. Ich działanie ma na celu regulację poziomu jonów we krwi.
Cechy buforu hemoglobiny
System buforowy hemoglobiny jest najpotężniejszy ze wszystkich, jest zasadą w naczyniach włosowatych tkanek i kwasem w takim narządzie wewnętrznym, jak płuca. Stanowi około siedemdziesięciu pięciu procent całkowitej pojemności buforowej. Mechanizm ten bierze udział w wielu procesach zachodzących w ludzkiej krwi i ma w swoim składzie globinę. Kiedy bufor hemoglobiny zmienia się w inną formę (oksyhemoglobina), ta forma się zmienia, a także zmieniają się kwasowe właściwości substancji czynnej.
Jakość zredukowanej hemoglobiny jest niższa niż kwasu węglowego, ale staje się znacznie lepsza, gdy jest utleniona. Kiedy uzyska się kwasowość pH, hemoglobina łączy jony wodorowe, okazuje się, że jest już zredukowana. Kiedy dwutlenek węgla jest usuwany z płuc, pH staje się zasadowe. W tym czasie hemoglobina, która została utleniona, działa jako donor protonów, za pomocą którego równoważona jest równowaga kwasowo-zasadowa. Tak więc bufor, który składa się z oksyhemoglobiny i jej soli potasowej, wspomaga uwalnianie dwutlenku węgla z organizmu.
Ten system buforowy działaodgrywa ważną rolę w procesie oddechowym, ponieważ pełni funkcję transportową polegającą na przenoszeniu tlenu do tkanek i narządów wewnętrznych oraz usuwaniu z nich dwutlenku węgla. Równowaga kwasowo-zasadowa wewnątrz erytrocytów jest utrzymywana na stałym poziomie, dlatego również we krwi.
Tak więc, gdy krew jest nasycona tlenem, hemoglobina zamienia się w silny kwas, a gdy oddaje tlen, zamienia się w dość słaby kwas organiczny. Systemy oksyhemoglobiny i hemoglobiny są wzajemnie konwertowalne, istnieją jako jeden.
Cechy buforu wodorowęglanowego
System buforowy wodorowęglanu jest również potężny, ale także najbardziej kontrolowany w organizmie. Stanowi około dziesięciu procent całkowitej pojemności buforowej. Posiada wszechstronne właściwości, które zapewniają jego dwukierunkową skuteczność. Ten bufor zawiera sprzężoną parę kwasowo-zasadową, która składa się z cząsteczek, takich jak kwas węglowy (źródło protonów) i wodorowęglan anionu (akceptor protonów).
W ten sposób system buforowy wodorowęglanu wspomaga systematyczny proces, w którym silny kwas dostaje się do krwioobiegu. Mechanizm ten wiąże kwas z anionami wodorowęglanowymi, tworząc kwas węglowy i jego sól. Kiedy zasada dostanie się do krwi, bufor wiąże się z kwasem węglowym, tworząc sól wodorowęglanową. Ponieważ w ludzkiej krwi jest więcej wodorowęglanu sodu niż kwasu węglowego, ta pojemność buforowa będzie miała wysoką kwasowość. Innymi słowy, bufor węglowodorowysystem (wodorowęglan) bardzo dobrze kompensuje substancje zwiększające kwasowość krwi. Należą do nich kwas mlekowy, którego stężenie wzrasta wraz z intensywnym wysiłkiem fizycznym, a bufor ten bardzo szybko reaguje na zmiany równowagi kwasowo-zasadowej we krwi.
Cechy buforu fosforanowego
Ludzki system buforowania fosforanów zajmuje blisko dwa procent całkowitej pojemności buforowej, co jest związane z zawartością fosforanów we krwi. Ten mechanizm utrzymuje pH moczu i płynu znajdującego się wewnątrz komórek. Bufor składa się z nieorganicznych fosforanów: jednozasadowego (działa jak kwas) i dwuzasadowego (działa jak zasada). Przy normalnym pH stosunek kwasu do zasady wynosi 1:4. Wraz ze wzrostem liczby jonów wodorowych wiąże się z nimi układ buforu fosforanowego, tworząc kwas. Mechanizm ten jest bardziej kwaśny niż zasadowy, dzięki czemu doskonale neutralizuje kwaśne metabolity, takie jak kwas mlekowy, przedostające się do krwiobiegu człowieka.
Cechy buforu białkowego
Bufor białkowy nie odgrywa tak szczególnej roli w stabilizowaniu równowagi kwasowo-zasadowej, w porównaniu z innymi systemami. Stanowi około siedmiu procent całkowitej pojemności buforowej. Białka składają się z cząsteczek, które łączą się, tworząc związki kwasowo-zasadowe. W środowisku kwaśnym działają jak zasady wiążące kwasy, w środowisku zasadowym wszystko dzieje się na odwrót.
Prowadzi to do powstania systemu buforowego białka, któryjest dość skuteczny przy wartości pH od 7,2 do 7,4. Duża część białek jest reprezentowana przez albuminy i globuliny. Ponieważ ładunek białka wynosi zero, przy normalnym pH występuje w postaci zasady i soli. Ta pojemność buforowa zależy od liczby białek, ich struktury i wolnych protonów. Ten bufor może neutralizować zarówno produkty kwaśne, jak i zasadowe. Ale jego pojemność jest bardziej kwaśna niż zasadowa.
Cechy erytrocytów
Zwykle erytrocyty mają stałe pH - 7, 25. Wpływają tu bufory wodorowęglanowe i fosforanowe. Ale pod względem mocy różnią się od tych we krwi. W erytrocytach bufor białkowy odgrywa szczególną rolę w dostarczaniu tlenu narządom i tkankom, a także usuwaniu z nich dwutlenku węgla. Dodatkowo utrzymuje stałą wartość pH wewnątrz erytrocytów. Bufor białkowy w erytrocytach jest ściśle związany z układem wodorowęglanowym, ponieważ stosunek kwasu i soli jest tu mniejszy niż we krwi.
Przykład systemu buforowego
Roztwory silnych kwasów i zasad, które reagują słabo, mają zmienne pH. Ale mieszanina kwasu octowego z jego solą zachowuje stałą wartość. Nawet jeśli dodasz do nich kwas lub zasadę, równowaga kwasowo-zasadowa się nie zmieni. Jako przykład rozważmy bufor octanowy, który składa się z kwasu CH3COOH i jego soli CH3COO. Jeśli dodasz mocny kwas, zasada soli zwiąże jony H + i zamieni się w kwas octowy. Redukcja anionów solizrównoważony przez wzrost cząsteczek kwasu. W rezultacie stosunek kwasu do soli zmienia się w niewielkim stopniu, więc pH zmienia się dość niezauważalnie.
Mechanizm działania systemów buforowych
Kiedy kwasowe lub zasadowe produkty dostają się do krwiobiegu, bufor utrzymuje stałą wartość pH do momentu, aż wchodzące produkty zostaną wydalone lub wykorzystane w procesach metabolicznych. W ludzkiej krwi występują cztery bufory, z których każdy składa się z dwóch części: kwasu i jego soli oraz silnej zasady.
Działanie bufora wynika z tego, że wiąże i neutralizuje jony, które są zawarte w odpowiadającej mu kompozycji. Ponieważ w naturze organizm najczęściej styka się z niedotlenionymi produktami przemiany materii, właściwości buforu są bardziej antykwasowe niż antyzasadowe.
Każdy system buforowy ma swoją własną zasadę działania. Gdy poziom pH spada poniżej 7,0, rozpoczyna się ich energiczna aktywność. Zaczynają wiązać nadmiar wolnych jonów wodorowych, tworząc kompleksy przenoszące tlen. To z kolei przenosi się do układu pokarmowego, płuc, skóry, nerek i tak dalej. Taki transport produktów kwaśnych i zasadowych przyczynia się do ich rozładunku i wydalania.
W ludzkim ciele tylko cztery systemy buforowe odgrywają ważną rolę w utrzymaniu równowagi kwasowo-zasadowej, ale istnieją inne bufory, takie jak system buforowy octanowy, który ma słaby kwas (donor) i jego sól (akceptor). Zdolność tych mechanizmówodporność na zmiany pH, gdy kwas lub sól dostanie się do krwi, jest ograniczona. Utrzymują równowagę kwasowo-zasadową tylko wtedy, gdy dostarczany jest w określonej ilości mocny kwas lub zasada. Jeśli zostanie przekroczony, pH zmieni się dramatycznie, system buforowy przestanie działać.
Wydajność buforów
Bufory krwi i erytrocytów mają różną wydajność. W tym drugim jest wyższy, ponieważ jest tu bufor hemoglobiny. Spadek liczby jonów następuje w kierunku od komórki do środowiska międzykomórkowego, a następnie do krwi. Sugeruje to, że krew ma największą pojemność buforową, podczas gdy środowisko wewnątrzkomórkowe ma najmniejszą.
Kiedy komórki są metabolizowane, pojawiają się kwasy, które przedostają się do płynu śródmiąższowego. Dzieje się to tym łatwiej, im więcej ich pojawia się w komórkach, gdyż nadmiar jonów wodorowych zwiększa przepuszczalność błony komórkowej. Znamy już klasyfikację systemów buforowych. W erytrocytach mają bardziej efektywne właściwości, ponieważ nadal odgrywają tu rolę włókna kolagenowe, które poprzez pęcznienie reagują na gromadzenie się kwasu, absorbują go i uwalniają erytrocyty z jonów wodorowych. Ta zdolność wynika z właściwości absorpcji.
Interakcja buforów w ciele
Wszystkie mechanizmy znajdujące się w ciele są ze sobą połączone. Bufory krwi składają się z kilku systemów, których udział w utrzymaniu równowagi kwasowo-zasadowej jest różny. Kiedy krew dostaje się do płuc, otrzymuje tlen.poprzez wiązanie się z hemoglobiną w czerwonych krwinkach, tworząc oksyhemoglobinę (kwas), która utrzymuje poziom pH. Przy pomocy anhydrazy węglanowej następuje równoległe oczyszczanie krwi płucnej z dwutlenku węgla, który w erytrocytach występuje w postaci słabego dwuzasadowego kwasu węglowego i karbaminohemoglobiny, a we krwi - dwutlenku węgla i wody.
Wraz ze spadkiem ilości słabego dwuzasadowego kwasu węglowego w erytrocytach przenika on z krwi do erytrocytów, a krew zostaje oczyszczona z dwutlenku węgla. W ten sposób słaby dwuzasadowy kwas węglowy stale przechodzi z komórek do krwi, a nieaktywne aniony chlorkowe przedostają się z krwi do erytrocytów, aby zachować neutralność. W rezultacie czerwone krwinki są bardziej kwaśne niż osocze. Wszystkie układy buforowe są uzasadnione stosunkiem donor-akceptor protonów (4:20), co wiąże się ze specyfiką metabolizmu organizmu człowieka, który wytwarza większą liczbę produktów kwaśnych niż zasadowych. Bardzo ważny jest tutaj wskaźnik pojemności buforowej kwasu.
Procesy wymiany w tkankach
Równowaga kwasowo-zasadowa jest utrzymywana przez bufory i przemiany metaboliczne w tkankach ciała. Sprzyjają temu procesy biochemiczne i fizykochemiczne. Przyczyniają się do utraty właściwości kwasowo-zasadowych produktów przemiany materii, ich wiązania, tworzenia nowych związków, które są szybko wydalane z organizmu. Na przykład duża ilość kwasu mlekowego jest wydalana do glikogenu, kwasy organiczne są neutralizowane przez sole sodowe. Mocnykwasy i zasady rozpuszczają się w lipidach, a kwasy organiczne utleniają się, tworząc kwas węglowy.
Tak więc system buforowy jest pierwszym pomocnikiem w normalizacji równowagi kwasowo-zasadowej w ludzkim ciele. Stabilność pH jest niezbędna do prawidłowego funkcjonowania biologicznych cząsteczek i struktur, narządów i tkanek. W normalnych warunkach procesy buforowania utrzymują równowagę między wprowadzaniem i usuwaniem jonów wodoru i dwutlenku węgla, co pomaga utrzymać stały poziom pH krwi.
W przypadku awarii systemów buforowych, u osoby rozwijają się patologie, takie jak zasadowica lub kwasica. Wszystkie systemy buforowe są ze sobą połączone i mają na celu utrzymanie stabilnej równowagi kwasowo-zasadowej. Organizm ludzki stale wytwarza dużą ilość kwaśnych produktów, co odpowiada trzydziestu litrom mocnego kwasu.
Stałość reakcji w organizmie zapewniają silne bufory: fosforanowe, białkowe, hemoglobina i wodorowęglany. Istnieją inne systemy buforowe, ale to są główne i najbardziej potrzebne żywemu organizmowi. Bez ich pomocy osoba rozwinie różne patologie, które mogą prowadzić do śpiączki lub śmierci.
