Cwiczenie 4.doc

(170 KB) Pobierz

Ćwiczenie nr 3

Ćwiczenie nr 4

mgr Bożena Kuran

Równowaga kwasowo-zasadowa w organizmie, bufory

Repetytorium

1. Woda i jej podział w ustroju. Różnice w składzie jonowym płynów ustrojowych.

2. Ciśnienie osmotyczne, prawa osmozy.

3. Bufory, pojemność buforowa, obliczanie pH i pojemności buforowej, wpływ rozcieńczenia na pojemność buforową.

4. Równowaga kwasowo-zasadowa w ustroju.

5. Równowaga membranowa Donnana.

Część praktyczna

1. Sporządzanie buforów: octanowego i fosforanowego i oznaczanie jego pH przy użyciu wskaźników.

2. Oznaczanie pH buforu przy użyciu pehametru.

3. Wpływ rozcieńczenia na pojemność buforową.

Repetytorium

1. Woda i jej podział w ustroju. Różnica w składzie

jonowym płynów ustrojowych

Woda jako składnik ustrojowy zajmuje ilościowo pierwsze miejsce, całkowita jej

ilość w organizmie wynosi w przybliżeniu ok. 45-65 % masy ciała. Woda wypełnia praktycznie cały ustrój, nawet tak „suche” tkanki jak tkanka kostna i tłuszczowa zawierają jej ok. 20 %. Ogromne znaczenie wody dla organizmów żywych przejawia się m.in. w tym, że stanowi środowisko, w którym przebiega większość niezbędnych dla życia reakcji chemicznych oraz odbywa się transport cząsteczek do miejsca, gdzie te reakcje mogą zachodzić.

Większość wody zawartej w ustroju stanowi rozpuszczalnik dla nieorganicznych i organicznych cząsteczek i jonów, a razem z białkami, tłuszczami i węglowodanami tworzy układy koloidalne właściwe strukturze komórkowej, a niezbędne dla prawidłowego przebiegu zjawisk biologicznych. Tylko dzięki odpowiedniej zawartości wody w komórkach możliwe jest zachowanie prawidłowych struktur cząsteczkowych i właściwości biochemicznych białek i kwasów nukleinowych, jonizacja związków organicznych itp. Dlatego też utrata niewielkiej ilości wody ok. 5 % prowadzi do zaburzeń w funkcji organizmu, utrata natomiast ok. 20 % nawet do jego śmierci.

Cały zasób wody ustrojowej i rozpuszczonych w niej jonów nieorganicznych jest rozdzielony między dwa obszary:

Płyn wewnątrzkomórkowy (śródkomórkowy) (ICF – intracellular fluid) obejmuje 2/3 całkowitej ilości wody. Stanowi środowisko dla wytwarzania, magazynowania i wykorzystania energii, procesów samonaprawczych, replikacji i wykonywania określonych funkcji komórki.

Płyn zewnątrzkomórkowy (pozakomórkowy) (ECF – extracellular fluid) zawiera 1/3 wody ustrojowej. Rozdzielony jest między osocze krwi i płyn śródmiąższowy. Ten płyn jest układem dostawczym. Tą drogą dostarczane są do komórek składniki odżywcze (np. glukoza, kwasy tłuszczowe, aminokwasy, tlen, jony, hormony). Płyn pozakomórkowy usuwa dwutlenek węgla, substancje odpadowe, składniki toksyczne ze środowiska komórek.

Różnica w składzie jonowym obu płynów jest bardzo znaczna. Środowisko wewnętrzne komórki jest bogate w kationy K+ i Mg+2 a podstawowym anionem jest anion fosforanowy. Jest tutaj także kilkadziesiąt razy więcej białka i znacznie mniej glukozy. Płyn pozakomórkowy charakteryzuje się dużą zawartością kationów Na+ i Ca+2 a podstawowym anionem jest Cl-. Stężenie glukozy jest tutaj znacznie większe a białka znacznie mniejsze. Żeby utrzymać tę różnicę komórki utworzyły bariery – błony z wbudowanymi w nie pompami.

>Życie powstało w wodzie. Pierwotne oceany były bogate w jony K+ i Mg+2, tak jak wnętrze komórek, sprzyjało to procesom enzymatycznym. Stopniowo skład zbiorników wodnych na ziemi zmieniał się, zaczęły przeważać jony Na+ i Ca+2. Konieczne byłyby ogromne zmiany w budowie już powstałych komórek, zamiast tego komórki wytworzyły bariery – błony.<

Stały stosunek kationów K+, Na+, Ca2+, Mg2+ zapewnia stan równowagi jonowej niezbędny dla prawidłowych funkcji organizmu. Wszelkie zmiany w równowadze jonowej prowadzą do zaburzeń w procesach fizjologicznych różnych narządów, a w szczególności układu nerwowego.

Rozmieszczenie jonów po obu stronach błony komórkowej jest regulowane przez procesy transportu czynnego (pompa jonowa). Transport czynny odbywa się przeciwko gradientowi elektrochemicznemu i wymaga nakładu energii ze strony komórki. Energia uzyskana z hydrolizy ATP (proces katalizowany przez odpowiednie enzymy zwane ATP-azami) umożliwia przechodzenie odpowiednich jonów do środowiska odpowiednio jeszcze bardziej elektrododatniego lub elektroujemnego. Na drodze transportu czynnego odbywa się m.in. transport jonów K+ i Na+, który można zapisać następująco:

gdzie: symbol „w” oznacza wewnątrzkomórkową lokalizację jonu

symbol „z” oznacza zewnątrzkomórkową lokalizację jonu

P – fosforan nieorganiczny

E – energia

2. Ciśnienie osmotyczne, prawa osmozy

Osmoza to zjawisko polegające na samorzutnym przechodzeniu cząsteczek rozpuszczalnika przez błonę półprzepuszczalną, oddzielającą rozpuszczalnik od roztworu. Błonami półprzepuszczalnymi są błony komórkowe, nieprzepuszczalne dla substancji wielokocząsteczkowych obecnych w płynie komórkowym, ale przepuszczalne dla cząsteczek wody.

W organizmie żywym procesy osmozy warunkują prawidłowy poziom jonów w określonych przestrzeniach. Między innymi osmoza i towarzyszące temu zjawisku ciśnienie osmotyczne, są odpowiedzialne za stałość środowiska wewnętrznego, warunkującą prawidłowe funkcjonowanie komórek, narządów i całego organizmu. Ciśnienie osmotyczne zależy od stężenia substancji, temperatury i rodzaju substancji, a w szczególności czy rozpatrywana substancja jest elektrolitem czy nie.

Ciśnienie osmotyczne wyraża wzór:

Π = T R i c

Π - ciśnienie osmotyczne [atm]

c - stężenie molowe [mol/dm3]

R - stała gazowa [0.083 dm3 . atm/mol . K]

T - temperatura [K]

i - współczynnik van’t Hoffa, dla elektrolitów równy liczbowo ilości jonów na jakie dany elektrolit dysocjuje, a dla nieelektrolitów zawsze równy jedności.

Roztwory wywierające jednakowe ciśnienia osmotyczne nazywamy roztworami izotonicznymi.

Jeżeli zachodzi konieczność podania choremu płynów bezpośrednio do naczynia krwionośnego, to musi to być roztwór izotoniczny względem surowicy, w którym krwinki czerwone nie ulegają zmianom morfologicznym. Roztworem takim jest m.in. 0,9 % roztwór NaCl (roztwór fizjologiczny). Jest on płynem izotonicznym z płynami ustrojowymi, ale nie izojonowym.

Roztwór hipertoniczny to roztwór o wyższym ciśnieniu osmotycznym niż roztwór po drugiej stronie błony. Roztwór o niższym ciśnieniu osmotycznym od roztworu porównywanego nazywany jest roztworem hipotonicznym.

Kierunek przepływu wody przez błonę półprzepuszczalną odbywa się zgodnie ze schematem:

C1 < C2, po obu stronach błony znajduje się ta sama substancja, T=const

Woda zawsze przepływa w kierunku roztworu hipertonicznego. Jest to tzw. transport bierny gdyż odbywa się zgodnie z gradientem stężeń, czyli z przestrzeni o niższym stężeniu osmotycznym do przestrzeni o wyższym stężeniu, aż do momentu wyrównania stężeń. Z tego względu woda przenika swobodnie przez większość błon komórkowych.

3. Bufory, pojemność buforowa, obliczanie pH i pojemności buforowej. Wpływ rozcieńczenia na pojemność buforową.

Roztwory buforowe

Roztwory buforowe są to mieszaniny słabych kwasów i ich soli z mocnymi zasadami lub roztwory słabych zasad i ich soli z mocnymi kwasami. Rolę buforów spełniają również roztwory wodorosoli. Charakterystyczną właściwością roztworów buforowych jest to, że po dodaniu niewielkich ilości mocnych kwasów lub zasad nieznacznie zmieniają swoje pH.

Przykłady roztworów buforowych:

CH3COOH/CH3COONa – bufor octanowy

H2CO3/NaHCO3 – bufor węglanowy

KH2PO4/K2HPO4 – bufor fosforanowy

NH3aq/NH4Cl – bufor amonowy

Utrzymanie stałej wartości pH jest bardzo ważne dla fizjologii każdego organizmu. Odczyn środowiska jest czynnikiem decydującym o aktywności enzymów i przebiegu reakcji enzymatycznych, co ma wpływ na prawidłowy przebieg metabolizmu żywej komórki. W komórkach znajduje się wiele substancji (sole mineralne, rozpuszczalne białka, kwasy organiczne i inne), które tworzą układy buforujące.

Głównym czynnikiem regulującym pH organizmu jest osocze krwi, w którym działają równocześnie trzy układy buforowe: bufor wodorowęglanowy, bufor fosforanowy i bufor białczanowy – białko/aniony białek oraz bufor hemoglobinianowy obecny tylko w erytrocytach.

pH buforów określa wzór Hendersona – Hasselbacha: