 Біонеоганічна хімія

3.1 Розчини електролітів.

3.2 Електроліти, в організмі людини.

3.3 Ступінь та константа дисоціації слабких електролітів.

3.4 Властивості розчинів сильних електролітів.

3.5 Активність та коефіцієнт активності. Йона сила розчину.

Водно-електролітний баланс - необхідна умова гомеостазу.

Лекція № 4 . Кислотно-основна рівновага в біологічних рідинах. Водневий показник. Гідроліз солей. Буферні системи, класифікація та механізм дії

4.1.Розчини електролітів та їхнє значення. Електролітична дисоціація електролітів.

4.2.Властивості розчинів сильних електролітів. Активність та коефіцієнт активності. Йонна сила розчину. Ступінь і константа дисоціації слабких електролітів.

4.3.Йонний добуток води. Водневий показник рН. Значення рН для різних рідин людського організму в нормі та за патології.

4.4.Гідроліз солей. Значення гідролізу в життєдіяльності організму.

4.5.Буферні розчини, їхня класифікація.

4.6.Водно-електролітний баланс — необхідна умова гомеостазу.

4.1.Розчини електролітів та їхнє значення. Електролітична дисоціація електролітів.

Поведінка розведених розчинів неелектролітів добре описується зако­нами Вант-Гоффа та Рауля. Виявилось, що для розчинів електролітів (кислот, основ, солей) ці закони порушуються: осмотичний тиск значно вищий, ніж це випливає з рівняння Вант-Гоффа, а точка кипіння і замерзан­ня таких розчинів теж суттєво відрізняється від розрахованих значень для розчинів неелектролітів такої самої концентрації

Відхилення у поведінці розчинів електролітів Вант-Гофф спробував пояснити за допомогою коефіцієнта i, введення якого у рівняння для осмотичного тиску дає можливість знайти осмотичний тиск Р_осм для роз­чину електроліту з концентрацією с:

Росм = icRT

Виходячи з цього рівняння, множник , який він назвав ізотонічний коефіцієнтом, показує, у скільки разів експериментальне визначений ос­мотичний тиск розчину у електроліту Р_експ більше за розрахований Р_разр для неелектроліту з тою самою концентрацією:

Р _експ

і = -----------

Р _розр

Пояснити відмічені відхилення у поведінці розчинів електролітів від законів Вант-Гоффа і Рауля вдалося тільки за допомогою теорії електро­літичної дисоціації та теорії сильних електролітів.

Сванте Арреніус(1883) сформулював теорію електро­літичної дисоціації.

Згідно цієї теорії, процес розпаду речовин в розчині на іони називається електролітичною дисоціацією. Кислоти - це речовини, що дисоціюють на іон гідрогену (Н⁺) і аніон, а основи - сполуки, які при дисоціації дають гідроксил-іон (ОН^-) та катіон. Процесом нейтралізації називають реакцію сполучення іонів Н⁺ з іонами ОН^-, внаслідок чого утворюється вода.

Сіль - сполука, що дисоціює на катіон і аніон. Солі в розчинах дисо­ціюють на іони повністю, тоді як кислоти і основи дисоціюють не пов­ністю. Внаслідок дисоціації встановлюється рівновага між продисоційованими іонами та недисоційованими молекулами, яка виражається за допомогою константи рівноваги і називається константою дисоціації.

Електролітична дисоціація водних розчинів слабких електролітів- обо­ротний процес: у кожний даний момент за рахунок розпаду молекул утво­рюються іони (іонізація), а за рахунок зіткнення іонів утворюються моле­кули (молізація).

Кількісну характеристику рівноважного складу дисоціації електроліту дає ступінь його дисоціації α, що вказує, яка частка молекул розпалась на іони :

(число молекул, що розпались)

α = ---------------------------------------- .

(загальне число молекул)

Коефіцієнт і для неелектролітів дорівнює одиниці, а для електролітів більший за одиницю. Величина його з розбавленням розчину буде збіль­шуватись, наближаючись до граничного значення для кожного елек­троліту: до простого цілого числа 2, 3, 4 - в залежності від числа іонів, що утворюються при розчиненні молекули речовини. Наприклад, при роз­чиненні речовин:

NaCl ↔ Na⁺ + Cl^- i → 2 ;

K₂SO₄ ↔ 2K⁺ + SO₄^- i → 3 ;

Електроліти, в організмі людини.

Електроліти відіграють колосальну роль у життєдіяльності організмів, зокрема людського організму. Якщо відвернутися від біохімічних і фізіо­логічних функцій кожного окремо катіона й аніона і зупинитися лише на їхній спільній дії, то потрібно відзначити, що наявністю електролітів, в ос­новному, визначається величина осмотичного тиску фізіологічних рідин Існуванням перепадів осмотичного тиску (осмотичних градієнтів) поясню­ються явища активного транспорту води, що відбуваються в живому орга­нізмі за допомогою осмосу. Наявність електролітів у фізіологічних рідинах помітно впливає на розчинність білків, амінокислот і інших органічних сполук, особливо низькомолекулярних з полярним характером молекул При невеликих концентраціях, коли іонна сила розчину I < 1-2, збільшення вмісту в рідинах електролітів приводить, наприклад, до підвищення роз­чинності в них гемоглобіну, карбоксигемоглобіну і цистіну. Однак подаль­ше збільшення концентрації електролітів (I> 2) приводить до зниження розчинності цих речовин. Здатність електролітів утримувати воду у вигля­ді гідратів перешкоджає зневоднюванню організму.

При нормальному стані організму вміст катіонів у плазмі крові складає в середньому 154 моль/м³ і приходиться, в основному, на частку іонів натрію, калію, кальцію і магнію. Серед аніонів, загальний вміст яких у плазмі крові складає теж -154 моль/м³, велика частка приходиться на хлорид- і гідро-карбонат-іони, а також багатозарядні макроіони білків. По вмісту окремих катіонів і аніонів у плазмі крові близька проміжна (інтерстиціальна) рідина. Обидві ці позаклітинні рідини істотно відрізняються за складом від внутрішньоклітинних рідин (табл.).

Таблиця :

Важливо відзначити, що зневоднювання організму при недоліку в ньо­му електролітів не може бути повною мірою усунуто тільки посиленим споживанням води. Дефіцит електролітів і зв'язана з цим втрата організмом води приводять насамперед до згущення крові, що несприятливо позна­чається на всій динаміці кровообігу.

Загальний вміст води в організмі людини в розрахунку на середню масу 70 кг складає 42 кг, або 60 % від усієї маси. Причому 2/3 цієї кількості зосереджено у внутрішньоклітинних рідинах (еритроцитах, клітках м'язо­вої тканини і т.д.), а 1/3 - у позаклітинних (плазмі крові, тканинної рідини, лімфі тощо). У плазмі крові знаходиться -3,5 кг води, а в інтерстиціальній рідині ~ 10,5 кг (5 і 15 %, відповідно від маси тіла).

Втрата приблизно 1/3 усієї кількості води, що знаходиться в позаклі­тинних рідинах, небезпечна, а втрата 2/3 вже є смертельною. Тому пору­шення нормального електролітного балансу організму викликає серйозні наслідки. Необхідно, щоб постійні втрати електролітів через шлунково-кишковий тракт, нирки і за рахунок потовиділення безупинно поповню­валися з їжею і питною водою. Про значення електролітів для життєді­яльності організму людини і тварин свідчать досвіди, у яких демонстру­ється можливість тривалого (годинами) функціонування ізольованих орга­нів тварин. Наприклад, серце жаби або кролика в розчині, що містить ту ж концентрацію електролітів, що і у плазмі крові, функціонує досить довго. У чистій воді або в розчинах з більш низькою концентрацією іонів їхня діяльність припиняється майже миттєво.

Порушення обміну катіонів в організмі приводить до адінамії- м'язової слабкості, до припинення або різкого ослаблення рухової активності Серед катіонів, за винятком Н⁺, найбільше значення мають Na⁺ і К⁺, які вияв­ляються практично у всіх тканинах.

Натрій є в основному позаклітинним катіоном: його вміст у плазмі крові (130-155 моль/м³) значно вище, ніж у нерозділеній крові (79-91 моль/м³), у якій містяться ще форменні елементи (еритроцити, лейкоцити і кров'яні пластинки) із клітинною структурою.

Калій, навпаки, є типовим внутрішньоклітинним катіоном: його вміст у цільній крові досягає 40-60 моль/м³, а в плазмі - 4,0-5,6 моль/м³.

Загальна маса іонів натрію в організмі дорослої людини -0,15 кг, причому для забезпечення нормального обміну речовин необхідно спо­живати щодоби з їжею 0,010-0,015 кг кухонної солі (при безсольовій дієті не менш 0,002 кг). Недолік в організмі іонів натрію викликає негативні наслідки: падіння осмотичного тиску (гіпоосмія) у позаклітинних рідинах і зв'язане з цим проникнення води усередину еритроцитів, клітини головно­го мозку й ін., що призводить до гемолізу й інших форм цитолізу, а також до згущення крові. Внаслідок цього спостерігаємо підвищення в'язкості крові, падіння артеріального тиску, порушення нормальної серцевої діяльності. (тахікардія), спазм гладкої мускулатури, набряк головного мозку, розлад центральної нервової системи. Нагромадження в організмі надлишкової кіль­кості кислот (ацидоз) через виснаження так званого лужного резерву, ство­рюваного в організмі, головним чином, солями натрію, може призводити до гальмування розвитку і росту організму, особливо молодого.

Досить небезпечні розлади викликані появою в організмі надлишку катіонів натрію. Якщо надлишок іонів натрію значний, то в міжклітинний простір, де він в основному накопичується, підсилюється приплив води, розвиваються набряки, одночасно порушуються і функції клітин, що втра­тили частину води, і вони поступово відмирають. Крім того, відбувається гальмування в передачі нервових імпульсів, розвивається надлишковий артеріальний тиск (гіпертонія).

Загальний вміст іонів калію в організмі дорослої людини звичайно зна­ходиться на рівні 0,133-0,140 кг, добова потреба в ньому складає 0,002- 0,003 кг. Іони калію беруть участь у передачі нервових імпульсів, у здійсненні м'язових скорочень і в регулюванні діяльності серця (сповіль­нюють ритм і зменшують силу скорочень серцевого м'яза).

Недолік в організмі калію (гіпокаліємія) може виникнути при тривалих і сильних проносах, блювоті, надлишковому сечовиділенні (через уживання сечогін­них засобів; при введенні в організм великих кількостей розчинів, що не містять іонів калію; при порушенні функцій кори надниркової залози тощо). При цьому спостерігається придушення нервово-м'язової збудли­вості, гальмується синтез білка і підсилюється його розпад. Усе це призво­дить до м'язової слабкості, стомлюваності, задишці, нудоті, порушенню нормальної діяльності серця, підвищенню тиску крові у венах, зникненню рефлексів, розвитку паралічів і галюцинацій. Значний надлишок в організ­мі іонів калію викликає хвороби нирок, підсилює розпад еритроцитів (гемоліз) і тканинних клітин, порушення кислотно-лужної рівноваги, спосте­рігаються також специфічні розлади серцевої діяльності.

Вміст іонів кальцію в організмі дорослої людини складає -1,050 кг, 99 % цієї кількості знаходиться в складі кісток у вигляді важко розчинних фосфатів, головним чином у виді трикальційфосфату Сa₃(РО₄)₂. При недостатнім надходженні в організм кальцію (менш 0,007 кг/добу), особ­ливо у дитячому віці, утворювана хрящеподібна тканина не костеніє, роз­вивається рахіт з такими загальновідомими наслідками, як скривлення кісток ніг, грудної клітки (куряча хвороба), хребта і таза (рахітичний горб і таз), розм'якшення кісток (остеомаляція) і т.д.

У нерозділеній крові утримується —12 моль/м³ іонів кальцію, а в плазмі крові 4,5-5,7 моль/м³, однак роль цих іонів у забезпеченні нормальної ді­яльності нервової, м'язової і серцево-судинної систем надзвичайно велика.

Взаємний вплив катіонів кальцію, що знаходяться у крові, і калію є одним з найбільш характерних прикладів прояву антагонізму іонів. Якщо іони калію флегматизують скорочення серцевого м'яза, то їхні антагоністи - іони кальцію, збільшують ритм і силу серцевих скорочень. При недоліку в плазмі крові іонів кальцію різко підсилюється збудливість нервової і м'я­зової систем, порушується нормальне функціонування клітинних фермен­тів, з'являються судороги, припадки, приступи заціпеніння (тетанія). Якщо вміст іонів кальцію в крові падає нижче 2,5 моль/м³, це може призвести до втрати свідомості і смерті.

Важливу роль відіграють іони кальцію в процесах згортання крові Якщо до крові додати 4 %-ний розчин лімонно-кислого натрію, то іони кальцію майже націло осаджуються у вигляді малорозчинного тетрагідрату Цитрату кальцію Са₃(С₆Н₅О₇)₃^.4Н₂О. Кров втрачає здатність до згортання. У такому вигляді "нітратну кров" звичайно і використовують при пере­ливанні крові.

До неприємних наслідків призводить і надлишок іонів кальцію в плазмі крові (гіперкальціємія), при якій може виникнути гіпокаліємія, підвищене відкладення в організмі кальцієвих солей (ниркові камені, скам'яніння плоду у вагітних, міжтканеві опади тощо).

Загальний вміст іонів магнію в організмі дорослої людини складає в середньому 0,028 кг, причому приблизно 0,009 кг знаходяться в складі внутрішньоклітинних і позаклітинних рідин. Добова потреба людини в магнії -0,0007 кг. Основна роль магнію зводиться до стимулювання актив­ності ферментів вуглеводного обміну, а також до зниження збудливості центральної нервової системи. При підвищеному вмісті у крові іонів магнію спостерігаються сонливість, утрата чутливості, параліч кістякових м'язів; при значному збільшенні концентрації іонів магнію (>9 моль/м³) може наступити глибокий наркоз.

Магній активно впливає на обмін в організмі калію і кальцію, при його недоліку розвивається гіперкаліємія і зв'язане з цим посилення нервово-м'язової збудливості. Споживання надмірних кількостей з'єднань магнію приводить до поступового витіснення кальцію з кісткової тканини, а дефіцит його в крові - до відкладення важкорозчинних солей кальцію в нирках, м'язах, серці і стінках артерій.

У набагато менших концентраціях, ніж іони натрію, калію, кальцію і магнію, у складі рідин людського організму присутні іони ~50 інших елементів, велика частина яких знаходиться у формі комплексних іонів складної будови. Навіть і при таких невеликих концентраціях багато з цих іонів відіграють значну роль у процесах обміну речовин і енергії які безперервно відбуваються в організмі.