- •§ 1. Понятия и терминология
- •§ 2. Первый закон термодинамики
- •§ 3. Термохимия
- •40°, КДж/моль
- •§ 4. Применение первого закона термодинамики к биологическим системам
- •§ 5. Второй закон термодинамики. Энтропия
- •§ 6. Термодинамические потенциалы
- •§ 7. Биологические системы и ac0'
- •§ 8. Термодинамика химического равновесия
- •§ 9. Термодинамика открытых систем
- •Глава II. Учение о растворах
- •§ 1. Роль воды в жизнедеятельности организма
- •§ 2. Некоторые представления о растворах
- •§ 3. Процессы растворения и растворяющая способность воды
- •§ 4. Коллигативные свойства растворов
- •§ 5. Растворы слабых и сильных электролитов
- •§ 6. Кислоты, основания, амфолиты
- •Кислота I Основание 2 Основание 1 Кислота 2
- •§ 7. Ионное произведение воды.
- •Активная
- •§ 8. Гидролиз
- •§ 9. Физиологическое действие ионов водорода и гидроксид-ионов
- •§ 10. Буферные растворы и системы организма
- •Оксигемогло- Угольная Гемоглоби- биновая . Новая
- •§11. Колориметрический метод измерения рН
- •Красная Синяя
- •Малиновая Бесцветная
- •Глава III. Электрохимия II электрохимические методы исследований в физиологии и медицине
- •§ 2. Подвижности ионов
- •§ 3. Измерение электропроводимости растворов
- •§ 4. Кондуктометрическое исследование свойств растворов электролитов
- •§ 5. Кондуктометрическое титрование
- •§ 6. Электропроводимость клеток и тканей. Применение кондуктометрии в медицине
- •§ 7. Гальванические элементы и электродные потенциалы
- •§ 8. Уравнение Нернста для э. Д. С. Гальванического элемента и электродного потенциала
- •§ 9. Стандартные электродные потенциалы
- •§ 10. Классификация электродов
- •§ 11. Классификация гальванических цепей
- •§ 12. Электроды и цепи для измерения рН
- •§ 13. Потенциометрическое титрование
- •§ 14. Окислительно-восстановительные потенциалы биологических систем
- •§ 15. Диффузионные и мембранные потенциалы. Природа биопотенциалов
- •§16. Методики измерения э. Д. С. И рН
- •§ 17. Теоретические основы метода
- •§ 18. Применение полярографического метода в медико-биологических исследованиях
- •Глава IV. Физико химические основы кинетики биохимических реакций
- •§ 1. Понятие о скорости химической реакции. Кинетический вывод закона действующих масс
- •§ 2. Порядок и молекулярность реакций
- •§ 3. Зависимость скорости реакции от температуры. Энергия активации
- •§ 4. Катализ и катализаторы
- •Основание II Кислота I Кислота II Основание I (катализатор) (промежуточ-
- •§ 5. Особенности кинетики ферментативных процессов
- •§ 6. Механизмы химических и биохимических реакций
- •§ 7. Фотохимические реакции
- •Глава V. Поверхностные явления и адсорбция
- •§ 1. Поверхностная энергия и поверхностное натяжение
- •§ 2. Поверхностно-активные вещества и их свойства
- •§ 3. Общая характеристика сорбционных явлений
- •§ 4. Адсорбция газов на твердых поверхностях
- •§ 5. Адсорбция из растворов
- •Полиакриловая Полимер винилфосфоновой смола кислоты
- •§ 6. Хроматографический метод анализа
- •Глава VI. Физикохимия дисперсных систем
- •§ 2. Методы получения
- •§ 3. Молекулярно-кинетические свойства дисперсных систем
- •§ 4. Оптические свойства дисперсных систем
- •§ 5. Электрокинетические явления
- •§ 6. Двойной электрический слой.
- •§ 7. Электрокинетический потенциал и его свойства
- •§ 8. Электрофорез в медико-биологических исследованиях
- •§ 9. Виды и факторы устойчивости дисперсных систем
- •§10. Коагуляция электролитами. Коагуляция биологических систем
- •§11. Теория коагуляции
- •§ 12. Стабилизация дисперсных систем (коллоидная защита)
- •Глава VII. Свойства растворов высокомолекулярных соединений
- •§ 1. Некоторые сведения о синтетических и природных вмс
- •Структура полипептидной цепи
- •§ 2. Набухание и растворение вмс
- •§ 3, Устойчивость растворов вмс и методы осаждения белков
- •§ 4. Вязкость растворов вмс
- •§ 5. Свойства гелей и студней
Оксигемогло- Угольная Гемоглоби- биновая . Новая
Диссоциацию этих кислот можно записать следующим образом:
HHbO2 H+ + НЬО~; H2CO3 :£ H+ + HCO3; HHb^t H+ -J- Hb".
Состав гемоглобикового буфера: HHb—слабая кислота; KHb — соль гемоглобиновой кислоты.
Состав оксигемоглобинового буфера: HHbO2—слабая кислота; KHbO2- соль оксигемоглобиновой кислоты.
Оксигемоглобин, образующийся в легких при взаимодействии гемоглобина с кислородом, переносится артериальной кровью в капиллярные сосуды, откуда кислород попадает в ткани.
В тканях осуществляются следующие сопряженные реакции:
HHbO2 ziHHb + O8; (1)
HHbO2 U H+ + НЬО;-, (2)
HbO~U Hb- + O2; (3)
HHb U H+ + Hb-; (4)
CO2 + H2OUH2CO3. (5)
На освобождение кислорода из оксигемоглобин а влияет присутствие угольной кислоты. Углекислый газ—конечный продукт метаболизма —выделяется в кровь различными тканями. Большая часть молекул CO2 диффундирует через мембрану в эритроциты, где они гидратируются и образуют H2CO3. Угольная кислота, хотя и очень слабая, сдвигает равновесие (2) влево и тем самым стимулирует реакцию (1). Таким образом, увеличение концентрации ионов водорода усиливает отдачу кислорода. Сопряженное основание Hb- слабой кислоты HHb склонно реагировать с более сильной кислотой H2CO3:
Hb- + H2CO3 и HHb + HCO3.
Образующийся гидрокарбонат-ион проходит через мембрану и уносится током крови. Таков один из механизмов удаления избытка CO2 из тканей.
Когда венозная кровь попадает в легкие, гемоглобин реагирует с кислородом с образованием оксигемоглобина:
HHb + O2U HHbO2.
Оксигемоглобин, как более сильная кислота, взаимодействует с гидрокарбонат-ионом с образованием более слабой угольной кислоты, которая дегидратируется и удаляется легкими:
HHbO2 + HCO3" U HbO2- + H2CO3;
н2со3ин2о + со2|.
Гидратация и дегидратация CO2 in vitro протекает очень медленно. Однако в физиологических условиях эти реакции могут идти с достаточно высокой скоростью, обеспечивающей эффективный транспорт оксида углерода (IV). Эта реакция катализируется в обоих направлениях ферментом карбоан-гидразой.
Кислотно-основное состояние крови. С действием буферных систем организма тесно взаимосвязано понятие о кислотно-основном состоянии крови. Как уже говорилось, значение рН крови колеблется в очень узком интервале (7,35—7,45). Отклонение в сторону ацидоза или алкалоза свидетельствует о серьезных нарушениях в организме. Особенно часто происходят сдвиги кислотно-основного состояния крови у грудных детей, поскольку в младенческом возрасте органы, принимающие участие в регуляции рН (легкие, почки), либо недостаточно совершенны, либо выполняют физиологические функции с предельной нагрузкой. Так, простое голодание быстро вызывает развитие ацидоза, а однократная рвота легко приводит к алкалозу. Показатели, характеризующие кислотно-основное состояние в детском возрасте, мало отличаются от таковых у взрослых.
(11.54)
В данном случае рд=^~г>ГІ—(усредненная величина при T =311 К); рС02—давление углекислого газа в крови. Если рН крови равно 7,4, то соотношение между содержанием гидрокарбонат-ионов в плазме крови и давлением углекислого газа должно быть около 20 : 1. Таким образом, кислотно-основное состояние крови определяется величиной рН, концентрацией ионов HCO^ и давлением CO2 в крови.
Поскольку в рггуляции кислотно-основного состояния крови принимают участие почки и легкие, различают метаболический и респираторный ацидоз и алкалоз.
При нормальной вентиляции легких рСОг в артериальной крози составляет 4,7—5,3 кПа. Респираторные нарушения кислотно-основного состояния клинически легко определяются, метаболические могут протекать бессимптомно, в таких случаях необходим лабораторный контроль. Для клиники очень важно раннее выявление метаболического нарушения кислотно-основного состояния, для чего в лабораторной практике пользуются методикой Аструп. По этой методике измеряется истинное значение рН плазмы и рН плазмы при насыщении ее CO2- Затем определяется /?С02 и SB (стандартный гидрокарбонат). Если давление углекислого газа в крови равно 5,3 кПа при Г== 31IK и 100 %-м насыщении гемоглобина кислородом, то это исключает респираторные нарушения.
Отклонение стандартного гидрокарбоната от нормы (25— 26 ммоль/л) свидетельствует о метаболических сдвигах кислотно-основного состояния крови. Коррекция метаболического ацидоза или алкалоза — элемент терапии основного заболевания.
Буферные свойства аминокислот и белков. Как уже указывалось, аминокислоты и белки являются амфолитами. Согласно теории Бренстеда, в аминокислотах кислотными свойствами обладают группы COOH и NH*, так как они являются донорами протонов, основными свойствами — группы NH2 и COO-, поскольку они являются акцепторами протонов.
Значение рН, при котором аминокислота находится в растворе в форме цвиттерионов и когда количества NH+-и СОО~-групп равны, называется изоэлектрической точкой (YBl).
Если рН раствора меньше рНИэт, то в растворе преобладает катионная форма аминокислоты:
H3N+-CH2-COO- + H+U H3N+-CH2-COOH.
При рН>рНИэт аминокислоты находятся в анионной форме:
H3N+-CH2-COO- + ОН- U H2N-CH2-COO- + H2O.
Из этих уравнений виден механизм буферного действия аминокислот.
Изоэлектрические точки аминокислот связаны с величинами констант диссоциации их функциональных групп. Рассмотрим диссоциацию глицина:
NH+CH2COOH & NHtCH2COO- + H+ 5 NH2CH2COO- + H+,
где
К „ [H+] [NH3CH2COO-] . = [H+] [NH2CH2COO-I ^ 1 [NH3CH2COOH] ' 2 [NH3CH2COO-]
Тогда
[H+P [NH2CH2COO-]
A1A2 = + '•
[NH3CH3COOH]
В изоэлектрической точке [NH3CH2COOH]=[NH2Ch2COOI,
позтому
/C1ZC2 = [H+]?.
После преобразования и логарифмирования обеих частей равенства получим:
[H+]
= (K1K^12;
РН
= рНиэт
= Р*1
+
Р*2, (11.55)
Таким образом, рНиэт является средним арифметическим показателей констант кислотности и основности аминокислоты.
В табл. 13 приведены значения изоэлектрических точек двадцати аминокислот, входящих в состав белков.
Таблица 13. Аминокислоты белков
Название |
PK1 |
PK2 |
PK3 |
РНИЭТ |
Алании |
2,35 |
9,69 |
|
6,02 |
Аргинин |
2,17 |
9,04 |
12,48 |
10,76 |
Аспарагин |
2,02 |
8,8 |
— |
5,41 |
Аспарагиновая кислота |
2,09 |
9,82 |
3,86 |
2,98 |
Цистеин |
1,71 |
8,9 |
8,5 |
5,02 |
Цистин |
2,26 |
9,85 |
— |
— |
Глицин |
2,34 |
9,60 |
— |
5,97 |
Глутаминовая кислота |
2,19 |
9,67 |
4,25 |
3,22 |
Глутамин |
2,17 |
9,13 |
— |
5,70 |
Изолейцин |
1,82 |
9,17 |
6,0 |
7,59 |
2,36 |
9,68 |
|
6,02 |
|
Лейцин |
2,36 |
9,60 |
— |
5,98 |
Лизин |
2,18 |
8,95 |
10,53 |
9,74 |
Метионин |
2,28 |
9,21 |
— |
5,06 |
Фенилаланин |
1,83 |
9,13 |
— |
5,48 |
Сернн |
2,21 |
9,15 |
— |
5,68 |
Треонин |
2,09 |
9,10 |
— |
5,60 |
Триптофан |
2,38 |
9,39 |
— |
5,88 |
Тирозин |
2,20 |
9,11 |
10,07 |
5,67 |
Валин |
2,32 |
9,62 |
|
5,97 |
Белки—полимеры аминокислот — являются полиэлектролитами. Макромолекула белка содержит значительное количество диссоциирующих кислотных и основных групп с различными величинами р/С.
Каждый белок характеризуется определенным значением РНиэт, при котором он находится в виде многовалентных Цвиттерионов. Положение изоэлектрической точки у разных белков колеблется в широком интервале рН — от сильнокислой До щелочной среды (табл. 14).
Bl
Величина рНИЭт белка зависит от преобладания в его молекуле моноаминодикарбоновых или диаминомонокарбоновых кислот: если преобладают первые, ИЭТ находится в кислой области, если вторые—в щелочной. В изоэлектрической состоянии растворы белков очень неустойчивы и легко выпадают в осадок.
При рН > рНиэт белок находится в форме многовалентных анионов, при рН < рНИэт—в форме многовалентных катионов. Поскольку реакция крови сдвинута в щелочную сторону от ИЭТ белков плазмы и гемоглобина, эти белки находятся в крови в виде поливалентных анионов, т. е. заряжены отрицательно.
Буферные свойства белков определяются их амфотер-ной природой. Избыточное количество ионов водорода связывается анионами карбоксильных групп, а избыточное количество гидроксид-ионов — катионами NH+ в малодиссоции-рованную воду,
