معلومة

2.3: الحماية من تغيرات الأس الهيدروجيني في النظم البيولوجية - علم الأحياء

2.3: الحماية من تغيرات الأس الهيدروجيني في النظم البيولوجية - علم الأحياء



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

كطريقة واحدة للاستتباب الرئيسي ، حافظ الرقم الهيدروجيني بين 7.35 و 7.45 في البشر. إذا فهمت معادلة Henderson-Hasselbalch من القسم السابق ، فسيصبح من السهل فهم أنظمة التخزين المؤقت.

[pH = pK_a + log dfrac {[A ^ {-}]} {HA} ]

عند نقطة انعطاف المنحنى ، يكون الرقم الهيدروجيني = pKa والنظام هو الأكثر مقاومة للتغيرات في الأس الهيدروجيني عند إضافة الحمض أو القاعدة. عند هذا الرقم الهيدروجيني ، [HA] = [أ-].

إذا تمت إضافة القليل من حمض قوي ، فسوف يتفاعل مع أقوى قاعدة في المحلول والتي ستكون القاعدة المترافقة للحمض الضعيف:

حمض الهيدروكلوريك + أ- -> HA + Cl-.

ينتقل التفاعل من حمض قوي إلى حمض ضعيف HA. سيزداد تركيزه قليلاً ولكن نظرًا لأنه حمض ضعيف ، فإنه سيتأين فقط إلى حد ضئيل. يزيد [HA] في معادلات Henderson-Hasselbalch قليلاً ولكن ليس بدرجة كافية لتغيير الرقم الهيدروجيني بشكل كبير. إذا تمت إضافة نفس الكمية من حمض الهيدروكلوريك إلى الماء النقي ، فسوف تتفاعل تمامًا لتشكيل كمية مساوية من H3ا+ والذي من شأنه أن يغير بدرجة كبيرة الرقم الهيدروجيني للمياه النقية (7.0).

إذا تمت إضافة القليل من القاعدة القوية ، فسوف تتفاعل مع أقوى حمض في المحلول والذي سيكون HA:

HA + أوه- -> ح2O + A-.

ينتقل التفاعل من قاعدة قوية إلى الحمض الضعيف أ-. سيزداد تركيزه قليلاً ولكن نظرًا لكونه قاعدة ضعيفة ، فلن يؤثر على أهمية الرقم الهيدروجيني. ال-] في معادلات Henderson-Hasselbalch يزيد قليلاً ولكن ليس بما يكفي لتغيير الأس الهيدروجيني بشكل كبير. إذا تمت إضافة نفس الكمية من هيدروكسيد الصوديوم إلى الماء النقي ، فسوف يتفاعل ذلك مما يجعل المحلول أساسيًا ويغير بدرجة كبيرة درجة الحموضة في الماء النقي (7.0).

للمراجعة ، تحتوي المحاليل العازلة على حمض ضعيف وقاعدته المترافقة. لديهم قدرة تخزين قصوى عند الرقم الهيدروجيني = pKa للحمض الضعيف. بشكل عام ، يكون المحلول المخزن أفضل قدرة على تحمل التغيير في درجة الحموضة فقط + 1 وحدة pH من pKa.

عوامل التخزين المؤقت البيولوجية

أكثر الأنظمة ذات الصلة بالبيولوجيا هي نظام التخزين المؤقت لحمض الكربونيك / الكربونات ، الذي يتحكم في درجة الحموضة والخلايا في الدم ونظام التخزين المؤقت للفوسفات. البروتينات ، التي تحتوي على العديد من المجموعات الوظيفية الحمضية والقاعدية الضعيفة. يمكن أن تعمل أيضًا كعامل تخزين مؤقت.

نظام التخزين المؤقت لحمض الكربونيك / الكربونات: للوهلة الأولى يمكن كتابة تفاعل حمض الكربونيك على النحو التالي:

ح2كو3 (عبد القدير) + ح2O (l) ßà H3ا+(عبد القدير) + HCO3-(aq) pKa = 3.6

ومع ذلك ، فإن هذا النظام أكثر تعقيدًا بعض الشيء حيث يجب أن نأخذ في الاعتبار ثاني أكسيد الكربون2 (ز) القابلية للذوبان والتفاعلية كذلك. التفاعلات الكيميائية الكلية تبدو هكذا ، حيث H.2كو3 هو الأكسجين الضعيف وحمض الكربونيك و HCO3-(aq) هو المركب الضعيف ، البيكربونات (أو كربونات الهيدروجين). إن [CO2(aq)] >> [H2كو3 (عبد القدير)]

آر إكس 1: كو2 (ز) ßà CO2(عبد القدير) + ح2O (l) ßà H2كو3 (عبد القدير) + ح2O (l) ßà H3ا+(عبد القدير) + HCO3-(عبد القدير)

يمكن للجهاز التنفسي ضبط الأس الهيدروجيني بسرعة عن طريق زيادة زفير ثاني أكسيد الكربون2. يمكن أن تستجيب الكلى بطريقة أبطأ لإزالة H.3ا+ والاحتفاظ بـ HCO3-. يمكن أن يساعدنا نظام التخزين المؤقت لحمض الكربونيك / البيكربونات في فهم كيفية تحول التوازن الناجم عن فرط ثاني أكسيد الكربون2 تم إطلاقه من التنفس العميق السريع أو انخفاض ثاني أكسيد الكربون2 يمكن أن يؤدي الإفراز المرتبط بمرض رئوي أو التنفس السريع الضحل إلى قلاء تنفسي وحماض ، على التوالي.

  • يمكن أن يحدث قلاء في الجهاز التنفسي بسبب "فرط التنفس" - التنفس بسرعة. هذا من شأنه أن يؤدي إلى نفث الكثير من ثاني أكسيد الكربون2، وتحويل التوازن أعلاه إلى اليسار ، واستهلاك H.3ا+ وزيادة الأس الهيدروجيني ، مما يجعل الدم أكثر قلوية. يمكنك التنفس في كيس لزيادة ثاني أكسيد الكربون2 المستويات.
  • الحماض التنفسي ناتج عن زيادة ثاني أكسيد الكربون2، والتي يمكن أن تحدث عندما لا تعمل الرئتان بشكل جيد ، ولا يمكنك التخلص من أول أكسيد الكربون2 أنت تنتج أثناء التنفس يمكن أن يحدث الحماض التنفسي مع الربو والالتهاب الرئوي وأمراض الرئة أو أي شيء يقلل من معدل التنفس.

استنشاق كو2 يمكن أن يؤدي إلى الذعر. هذا منطقي لأنه يحاكي الاختناق المميت للإنسان. يتبع استجابة الاختناق. عالية CO2 من شأنه أن يقود التوازن إلى اليمين ، مما يؤدي إلى H3ا+ إنتاج. تم اكتشاف قناة أيون استشعار الحمض -1 أ أو ASIC1a في اللوزة والتي يبدو أنها تتوسط التأثير. ترتبط نوبات الهلع أحيانًا بفرط التخمير الذي يؤدي إلى القلاء وليس الحماض. أقل ملاحظة أنه عندما يصاب بعض الناس بالذعر ، فإنهم يأخذون أنفاسًا ضحلة قصيرة (بطريقة تكاد توقف أنفاسهم). هذا من شأنه أن يؤدي إلى تراكم ثاني أكسيد الكربون2 لأنه لن يتم إطلاقه في الزفير. سيتم تنشيط القناة الحمضية في الأميدالا ويستتبع ذلك استجابة الذعر.

معضلة؟

كيف يمكن لحمض الكربونيك مع pKa 3.6 أن يعمل كمكون عازل عند درجة الحموضة 7.5؟

قد يكون الطالب الذكي قد التقط هذا اللغز.

يتضمن حل هذه المشكلة النظر في المجموعة الكاملة من ردود الفعل لمكونات نظام المخزن المؤقت.

ها هي المجموعة الكاملة من ردود الفعل مرة أخرى:

كو2 (ز) ßà CO2(عبد القدير) + ح2O (l) ßà H2كو3 (عبد القدير) + ح2O (l) ßà H3ا+(عبد القدير) + HCO3-(عبد القدير)

دعونا نبسطها لأنه لن يكون هناك "فقاعات غاز" حرة في الدم ، لذلك CO2 (ز) = CO2(عبد القدير):

كو2(عبد القدير) + ح2O (l) ßà H2كو3 (عبد القدير) + ح2يا (ل) كا ح3ا+(عبد القدير) + HCO3-(عبد القدير)

ح2كو3 (aq) يشارك في تفاعلين مختلفين.

يمينًا من ح2كو3 (عبد القدير):

ح2كو3 (عبد القدير) + ح2يا (ل) كا ح3ا+(عبد القدير) + HCO3-(عبد القدير)

استخدام المعادلة المبسطة مع H+ يعطي

[K_a = dfrac {[H ^ {+}] [HCO_3 ^ {-}]} {H_2CO_3} ] لذلك

[[H_2CO_3] = dfrac {[H ^ {+}] [HCO_3 ^ {-}]} {K_a} ]

اليسار من ح2كو3 (عبد القدير):

ح2كو3 (عبد القدير) كاكو2(عبد القدير) + ح2يا (ل)

[K_2 = dfrac {[CO_2]} {H_2CO_3} ] إذن

[[H_2CO_3] = dfrac {[CO_2]} {K_a} ]

يعطي الإعداد 2.3.3 و 2.3.5 المتساويان:

[[H_2CO_3] = dfrac {[H ^ {+}] [HCO_3 ^ {-}]} {K_a} = dfrac {[CO_2]} {K_2} ]

حل من أجل [H.+] يعطي:

[[H ^ {+}] = dfrac {[CO_2] (K_a)} {[HCO_3 ^ {-}] (K_2)} ]

الآن خذ -log لكل جانب لإنتاج معادلة مشابهة لمعادلة هندرسون-هاسلبالش.

[- log [H ^ {+}] = -log ( dfrac {[CO_2]} {[HCO_3 ^ {-}}) -log ( dfrac {K_a} {K_2}) ]

[pH = pK_ {a EFFECTIVE} -log ( dfrac {[CO_2]} {[HCO_3 ^ {-}]}) ]

حيث (K_ {a EFFECTIVE} = dfrac {K_a} {K_2} )

توضح هذه المعادلة الشبيهة بهندرسون-هاسلبالش أن الأس الهيدروجيني يتحدد بواسطة النسبة (K_a / K_2 ). pKفعالة = 6.3. ينتج عن ذلك نسبة (CO_2 / HCO_3 ^ {-} ) تبلغ 0.08 = 8/100. يوجد فعليًا 12-13 × قدر HCO3-(aq) كـ CO2، مما يجعل النظام مهيأ للتفاعل مع الحمض المنتج عن طريق التمثيل الغذائي. ومع ذلك ، توجد معضلة ثانية. يكون الرقم الهيدروجيني للدم (7.4) خارج النطاق الأمثل لنظام عازلة (في هذه الحالة + 1 وحدة pH من pKa وهي 6.3 في هذه الحالة). مرة أخرى ، النظام مهيأ للتفاعل مع الحمض لأنه سيحرك الأس الهيدروجيني بالقرب من درجة الحموضة المثلى التي تبلغ 6.3. يجب أيضًا إشراك الأنظمة البيولوجية الأخرى في الحفاظ على الرقم الهيدروجيني.

نظام تخزين الفوسفات: الفوسفات على شكل ثنائي هيدروجين (H2ص4-) وفوسفات أحادي الهيدروجين (HPO42-) موجودة أيضًا في الدم. بالنظر إلى pKa لـ HPO42-، لماذا PO43- ليس تقدم إلى أي درجة معنوية؟ نظرًا لأن تركيز الفوسفات منخفض في الدم ، فإن هذا النظام يلعب دورًا ثانويًا في الدم.

البروتينات: توجد البروتينات في جميع السوائل الخلوية وخارج الخلوية وهي تحتوي على أحماض ضعيفة كمكونات عازلة. تحتوي البروتينات على نوعين من الأحماض الأمينية ، حمض الأسبارتيك وحمض الجلوتاميك) التي تحتوي على مجموعة حمض الكربوكسيل. يشتمل كل منها على حوالي 6٪ من البروتينات. الهيموجلوبين في الدم هو البروتين الأكثر وفرة حتى الآن. دورها في تخزين مؤقت في O2 وشارك2 ، في فصل لاحق.

عمل مخازن في المختبر

عند دراسة الجزيئات الحيوية مثل البروتينات والأحماض النووية في المختبر ، عادةً ما يتم الحفاظ على الرقم الهيدروجيني للمحلول في ظل الظروف الفسيولوجية. يتم إما إذابة هذه الجزيئات الكبيرة أو تخفيفها في محلول منظم. في بعض الأحيان يكون من المهم دراسة خصائصها وأنشطتها كدالة لدرجة الحموضة. تم تطوير مجموعة متنوعة من الأنظمة العازلة للدراسة المعملية لهذه الجزيئات. ثنائي الهيدروجين (H2ص4-) / أحادي فوسفات الهيدروجين (HPO42-) الزوج شائع الاستخدام كـ pKa لـ H.2ص4- هو 7.21 ، مما يجعلها ذات صلة فسيولوجية. يجب توخي الحذر عند اختيار الأنظمة العازلة لأن بعضها قد يربط أيونات الكالسيوم. يختلف pKa في البعض اختلافًا كبيرًا مع درجة الحرارة أيضًا. يتم سرد بعض المخازن البيولوجية الشائعة أدناه.

مخازن

pKa
(عند 25 درجة مئوية)

MES

6.10

مكرر تريس

6.50

ACES

6.78

أنابيب

6.76

موبسو

6.90

مابس

7.20

حبيس

7.48

تريس

8.06

تريسين

8.05

جلي جلي

8.20

بيسين

8.26

الحنفيات

8.40

أمبسو

9.00

قبعات

10.40

هناك ثلاث طرق عامة لعمل حل مؤقت:

  1. اجعلنا منفصلين محاليل تركيز متساوية لكل من الحمض الضعيف (على سبيل المثال Na (H2ص4) وقاعدته المقترنة (على سبيل المثال Na2(HPO4). استخدم معادلة Henderson-Hasselbalch لحساب المقدار الذي يجب إضافته من كل منها لإعطاء [A-] / نسبة [HA] (في حالة [HPO42-] / [H.2ص4-1]) لإعطاء الرقم الهيدروجيني الصحيح.
  2. استخدم مقياس الأس الهيدروجيني وراقب الأس الهيدروجيني عند إضافة كلا المحلين معًا حتى الوصول إلى الرقم الهيدروجيني المطلوب.
  3. اصنع محلولًا لأحد المكونات (حمض ضعيف أو قاعدته المقترنة) واقترب من حجمه الصحيح للحصول على المولارية المرغوبة. راقب الأس الهيدروجيني عند إضافة محلول مركز من حمض الهيدروكلوريك أو هيدروكسيد الصوديوم للحصول على الرقم الهيدروجيني المطلوب. جعل الحل للحجم الصحيح في دورق حجمي. باستخدام هذه الطريقة ، ستضيف أيونات مضادة (Cl- مع HCl و Na+ مع هيدروكسيد الصوديوم) والتي قد لا تريدها في محلولك العازل. في كثير من الأحيان ليست مشكلة.

مثال إدراج icn3d في النص الحرفي


شاهد الفيديو: الرقم الهيدروجيني PH ج2 القاق (أغسطس 2022).