4.11. Фосфат и бикарбонат - важные биологические буферные системы

У всех живых организмов внутриклеточные и внеклеточные жидкости обычно имеют характерную и постоянную величину pH, которая поддерживается с помощью различных биологических систем. Однако первая линия защиты живых организмов, препятствующая изменениям их внутреннего pH, обеспечивается буферными системами.

Две наиболее важные буферные системы у млекопитающих - это фосфатная и бикарбонатная системы. Фосфатная буферная система, играющая важную роль в поддержании pH внутриклеточной жидкости, представляет собой сопряженную кислотно-основную пару, состоящую из иона (донора протона) и иона (акцептора протона).

Фосфатная буферная система работает точно так же, как ацетатная, с той разницей, что она функционирует в другом интервале значений pH. Эта система обладает максимальной эффективностью вблизи поскольку величина ионов равна 6,86 (см. табл. 4-4 и рис. 4-11). Фосфатная буферная пара способна сопротивляться изменениям pH в интервале между 6,1 и 7,7 и может, следовательно, обеспечивать достаточную буферную емкость внутриклеточной жидкости, величина pH которой лежит в пределе 6,9-7,4.

Главной буферной системой плазмы крови служит бикарбонатная система, представляющая собой сопряженную кислотно-основную пару, состоящую из молекулы угольной кислоты выполняющей роль донора протона и бикарбонат-иона выполняющего роль акцептора протона:

Эта система, которая имеет свою собственную константу равновесия

функционирует в качестве буфера так же, как и другие сопряженные кислотно-основные пары. Ее уникальная особенность состоит, однако, в том, что один из ее компонентов, а именно угольная кислота образуется в результате взаимодействия растворенной в воде () двуокиси углерода с водой в соответствии с обратимой реакцией:

константа равновесия которой равна

Поскольку при нормальных условиях двуокись углерода представляет собой газ, величина т.е. концентрация растворенной определяется равновесием с газовой фазы (г):

характеризуемым константой равновесия равной

Величина pH бикарбонатной буферной системы зависит от концентрации растворенных в ней компонентов и выполняющих роль донора и акцептора протонов. Поскольку, однако, концентрация в свою очередь зависит от концентрации растворенной а последняя - от парциального давления в газовой фазе, величина pH бикарбонатного буфера, находящегося в контакте с газовой фазой, в конечном счете определяется концентрацией ионов в водной фазе и парциальным давлением в газовой фазе (см. дополнение 4-3).

Бикарбонатная буферная система функционирует как эффективный физиологический буфер вблизи потому что донор протона в плазме крови находится в подвижном равновесии с большим резервным объемом газообразной в воздушном пространстве легких. В любых условиях, когда кровь почему-либо вынуждена поглощать избыток ионов ОН и повышается, количество угольной кислоты частично превратившейся в в результате взаимодействия с ионами быстро восстанавливается за счет большого запаса газообразной в легких.

Дополнение 4-3. Как работает бикарбонатная система крови

Буферная система крови включает три взаимосвязанных обратимых равновесия между газообразной в легких и бикарбонат-ионом () в плазме крови (рис. 1). Когда ионы попадают в кровь при ее протекании через сосуды тканей, их концентрация сразу же повышается. Это приводит к тому, что равновесие реакции 3 (рис. 1) смещается и устанавливается новое равновесие, соответствующее более высокой концентрации что в свою очередь приводит к повышению концентрации в крови.

Рис. 1. Между в воздушном пространстве легких и бикарбонатыым буфером в плазме крови, протекающей через капилляры легких, устанавливается равновесие. Так как концентрация растворенной может быть быстро отрегулирована путем изменений скорости дыхания, бикарбонатная буферная система крови находится почти в равновесии с обширным потенциальными резервуаром

В результате давление в газовой фазе легких тоже повышается и лишняя выдыхается. Наоборот, когда в плазму крови поступает некоторое количество ионов события происходят в обратной последовательности. Понижение концентрации ионов вызывает диссоциацию части молекул на ионы и , а это в свою очередь приводит к растворению в плазме крови некоторого дополнительного количества , содержащегося в легких. Таким образом, высокая интенсивность процесса дыхания, т.е. высокая скорость вдыхания воздуха и выдыхания может обеспечить достаточно быстрые сдвиги этих равновесий, что обусловливает сохранение постоянной величины pH в крови.

растворяется в крови, образуя , которая вступает в реакцию с водой, что приводит к образованию (см. дополнение 4-3). И наоборот, когда величина pH крови почему-либо уменьшается, некоторое количество буферной системы связывается с избытком ионов и образуется избыток . Эта распадается, выделяя растворенную которая в свою очередь переходит в газовую фазу в легких и в конце концов выдыхается организмом. По мере того как кровь протекает через многочисленные капиллярные сосуды в легких, ее бикарбонатная буферная система быстро приходит почти в равновесное состояние с С02 в газовом пространстве легких.

Совместное функционирование бикарбонатной буферной системы и легких представляет собой очень ответственный механизм, обеспечивающий поддержание постоянной величины рн крови.

Величина pH плазмы крови поддерживается на удивительно постоянном уровне. В норме плазма крови имеет pH, близкий к 7,40. Нарушения механизмов, регулирующих величину pH, наблюдающиеся, например, при тяжелых формах диабета вследствие ацидоза, обусловленного «перепроизводством» метаболических кислот, вызывают падение pH крови до величины 6,8 и ниже, что в свою очередь, может приводить к непоправимым последствиям и смерти. При некоторых других заболеваниях величина pH крови иногда достигает столь высоких значений, что она уже не поддается нормализации. Поскольку повышение концентрации ионов всего лишь на (приблизительная разница между кровью при и кровью при может оказаться опасным для жизни, возникает вопрос: какие молекулярные механизмы обеспечивают поддержание величины pH в клетках со столь высокой точностью? Величина pH влияет на многие структурные и функциональные свойства клетки, однако к изменениям pH особенно чувствительна каталитическая активность ферментов. На рис. 4-13 приведены типичные кривые, характеризующие зависимость активности некоторых ферментов от pH. Видно, что каждый из этих ферментов проявляет максимальную активность при определенном значении pH, которое называется оптимумом pH. Отклонение величины pH в любую сторону от этого оптимального значения часто сопровождается резким падением активности фермента. Таким образом, небольшие сдвиги pH могут приводить к значительным изменениям скорости некоторых жизненно важных для организма ферментативных реакций, протекающих, например, в скелетных мышцах или в мозгу.

Рис. 4-13. Влияние на активность некоторых ферментов. Каждый фермент имеет характерную для него кривую зависимости - активность.

Биологический контроль, обеспечивающий постоянство pH в клетках и жидкостях организма, имеет, следовательно, исключительно важное значение для всех аспектов метаболизма и клеточной активности.