Что такое буферность клетки какими ионами она обеспечивается
Что такое буферность клетки какими ионами она обеспечивается
Организм можно определить как физико-химическую систему, существующую в окружающей среде в стационарном состоянии. Для обеспечения стационарного состояния у всех организмов выработались разнообразные анатомические, физиологические и поведенческие приспособления, служащие одной цели – сохранению постоянства внутренней среды. Это относительное динамическое постоянство внутренней среды (крови, лимфы, тканевой жидкости) и устойчивость основных физиологических функций организма человека и животных называется гомеостазом.
Этот процесс осуществляется преимущественно деятельностью лёгких и почек за счёт дыхательной и выделительной функции. В основе гомеостаза лежит сохранение кислотно-основного баланса. Для нормальной жизнедеятельности большинства клеток необходимы достаточно узкие пределы рН (6,9 – 7,8), и организм вынужден постоянно осуществлять нейтрализацию образующихся кислот. Этот процесс выполняют буферные системы, которые связывают избыток ионов водорода и контролируют их дальнейшие перемещения в организме. Буферные системы играют очень важную роль, т.к. в результате различных метаболических процессов в организме постоянно образуются различные кислоты, которые сразу же нейтрализуются буферными системами: гидрокарбонатной, фосфатной, белковой и гемоглобиновой.
Главной буферной системой организма является гидрокарбонатный буфер, состоящий из Н2СО3 и NaHCО3. При рН около 7,4 в организме преобладает гидрокарбонат-ион, и его концентрация может в 20 раз превышать концентрацию угольной кислоты. По своей природе угольная кислота очень нестойкая и сразу же после образования расщепляется на углекислый газ и воду. Реакции образования и последующего быстрого расщепления угольной кислоты в организме настолько совершенны, что им часто не придают особого значения. Эти реакции катализируется ферментом карбоангидразой, который находится в эритроцитах и в почках. Особенность гидрокарбонатной буферной системы состоит в том, что она открыта. Избыток ионов водорода связывается с гидрокарбонат-ионом, образующийся при этом углекислый газ стимулирует дыхательный центр, вентиляция лёгких повышается, а излишки углекислого газа удаляются при дыхании. Так в организме поддерживается баланс рН. Чем больше в клетках образуется ионов водорода, тем больше расход буфера. На этом этапе метаболизма подключаются почки, которые выводят избыток ионов водорода, и количество гидрокарбоната в организме восстанавливается.
Фосфатный буфер может действовать как в составе органических молекул, так и в качестве свободных ионов. Одна его молекула способна связывать до трёх катионов водорода. Белки могут присоединять к своей полипептидной цепочке как кислотные, так и основные группы.
Буферная ёмкость белковой буферной системы может охватывать широкий диапазон рН. В зависимости от имеющейся величины рН она может связывать как гидроксильные группы, так и ионы водорода. Третья часть буферной ёмкости крови приходится на гемоглобин. Каждая молекула гемоглобина может нейтрализовать несколько ионов водорода. Когда кислород переходит из гемоглобина в ткани, способность гемоглобина связывать ионы водорода возрастает и наоборот: когда в лёгких происходит оксигенация гемоглобина, он теряет присоединённые ионы водорода. Освободившиеся ионы водорода реагируют с гидрокарбонатом, и в результате образуется углекислый газ и вода. Образовавшийся углекислый газ удаляется из лёгких при дыхании.
Буферные свойства гемоглобина обусловлены соотношением восстановленного гемоглобина (ННb) и его калиевой соли (КНb). В слабощелочных растворах, каким является кровь, гемоглобин и оксигемоглобин имеют свойства кислот и являются донорами Н+ или К+. Эта система может функционировать самостоятельно, но в организме она тесно связана с гидрокарбонатной. Когда кровь находится в тканевых капиллярах, откуда поступают кислые продукты, гемоглобин выполняет функции основания: КНb + Н2СО3 ↔ ННb + КНСО3. В легких гемоглобин, напротив, ведет себя, как кислота, предотвращая защелачивание крови после выделения углекислоты.
Таким образом, механизм регуляции кислотно-основного равновесия крови в целостном организме заключается в совместном действии внешнего дыхания, кровообращения, выделения и буферных систем.
Что такое буферность клетки какими ионами она обеспечивается
Одним из условий наиболее полной оценки состояния почвенного плодородия является определение совокупности показателей, характеризующих его со всех сторон имеющегося в почве вещества: твердого, жидкого, воздушного и живого. С другой стороны, существует ряд интегральных характеристик, позволяющих в комплексе оценить почву не только как средство питания сельскохозяйственных растений, но и как самостоятельный объект биогеоценоза, взаимодействующий с окружающей средой. В частности, к таким показателям относится содержание гумуса в почве, степень ее кислотности и щелочности, емкость обмена, буферная способность и другие. К последней относят свойство почвы оказывать сопротивление к изменению собственного состояния под влиянием какого-либо фактора окружающей среды [6].
Современные научные изыскания нетрадиционных кремнийсодержащих источников питания культурных растений описывают их положительное влияние на агрохимическую и микробиологическую характеристику почвы и, в том числе, позитивное влияние на обменную кислотность [1, 2, 5]. Известно, что диатомиты представляют собой преобразованные остатки диатомовых водорослей, обладающие емкостью поглощения и содержащие большое количество амфотерного элемента кремния (более 82 % SiO2). В связи с этим предполагается, что диатомиты могут проявлять буферные свойства и способны повлиять на буферность почвы.
Цель исследования. Изучение кислотно-основных свойств диатомита Инзенского месторождения Ульяновской области и светло-серой лесной легкосуглинистой почвы, обработанной диатомитовым порошком.
Материалы и методы исследования
В опыте № 1 образец Инзенского диатомита был проанализирован на определение кислотности его суспензий потенциометрическим методом. Определение рН водной и солевой (1 n раствор KCl) вытяжек порошка диатомита, предварительно размолотого и просеянного через сито с диаметром ячеек в 0,5 мм, проводилось с помощью ионометра PortLab-102, откалиброванного по трем буферным растворам – 4,01, 6,86 и 9,18 ед. рН. Результаты измерений представлены в таблице.
В опыте № 2 изучалась кислотно-основная буферность светло-серой лесной легкосуглинистой почвы и порошка диатомита. Буферность определялась потенциометрическим методом по Аррениусу [7] с определением площадей буферности в кислотном и щелочном интервалах [3], результаты которого представлены на рис. 1.
В опыте № 3 изучалось действие диатомита на буферные свойства светло-серой лесной легкосуглинистой почвы. для этого почва предварительно компостировалась с тонкоразмолотым порошком диатомита в течение 4-х месяцев в полиэтиленовых пакетах при t ≈ +25 ºС с еженедельным увлажнением до 60 % от ПВ и перемешиванием. Доза диатомита составила 1,5 г/кг почвы. В дальнейшем проводилось определение кислотно-основной буферности по Аррениусу, результаты которого представлены на рис. 2.
Результаты исследования и их обсуждение
Установлено, что водная вытяжка диатомита (табл. 1), независимо от его соотношения с водой, обладала слабощелочной реакцией. Такое явление можно объяснить наличием в составе диатомитовой породы около 50 мг-экв. ионов Ca2+ и Mg2+, способных к обменным реакциям, а также амфотерными свойствами кремния, входящего в состав диатомита в большом количестве. В частности, элемент кремний, проявляющий двойственные кислотно-основные свойства, в структуре исследуемого вещества образует, в том числе, и соединения основной природы типа Si(OH)4, которые, диссоциируя в растворе, подщелачивают его ионами ОН– [6].
При взаимодействии солевого раствора гидролитически нейтральной соли (1 n раствора KCl) с диатомитом в различных объемных соотношениях отмечалось снижение показателя рН относительно его определения в водной вытяжке диатомита. Предполагается, что диатомит обладает определенной емкостью поглощения, из которой, по-видимому, раствор хлористого калия вытесняет кислотные катионы. Например, такие катионы как Al3+ и Fe3+, содержание веществ которых в диатомовой агроруде превышает соответственно 5 % и 2 %, способны образовывать в растворе соединения кислотного характера, которые и подкисляют среду. В итоге выделяющиеся из диатомита катионы способствуют незначительному увеличению кислотности суспензии и, как следствие, снижению ее рН.
Повышение показателя рНводн. при увеличении соотношения экстрагирующего вещества и диатомита, очевидно, свидетельствует о повышении растворимости щелочных соединений, входящих в состав агроруды при разбавлении ее порошка. Увеличение же показателя кислотности (рНсол.) диатомита при разбавлении его солевым раствором, в свою очередь, может говорить о повышении степени вытеснения всех катионов из диатомита в раствор, большинство которых, очевидно, имеет щелочную природу.
На рис. 1 (опыт № 2) видно, что исследуемая почва обладает определенной буферной силой, причем ее площадь в кислотном интервале (рН 1-7) немного больше площади щелочного интервала (рН 7-14), что обусловлено присутствием большего количества кислотных ионов (H+, Al3+, Fe3+) в ППК почвы относительно щелочных (Ca2+, Mg2+). Поэтому в расчете полной дозы извести, необходимой для снижения кислотности светло-серой лесной легкосуглинистой почвы, берется увеличенная доля значения гидролитической кислотности почвы – 1,2 от НГ [4]. Кроме того, установлено, что диатомит Инзенского месторождения также обладает буферными свойствами. Причем, площадь буферной силы в щелочном интервале визуально несколько больше площади кислотного. Это явление также подтверждает слабощелочные свойства исследуемого вещества.
Определение актуальной и обменной кислотности диатомита
Буферность и кислотность
1. Буферность — свойство клетки поддерживать определенный уровень концентрации ионов водорода (pH).
2. В клетке сохраняется слабощелочная реакция — 7,2.
3. Буферным называют такой раствор, в котором содержится смесь какой-либо слабой кислоты и ее растворимой соли.
4. Механизм поддержания кислотности таков — когда в клетке увеличивается кислотность, анионы, источником которых служит соль, соединяются с ионами водорода и устраняют их из раствора. Если же кислотность снижается, ионы водорода высвобождаются.
Кислотность в клетке
1. В процессе жизнедеятельности в клетке возникают разнообразные соединения, в том числе кислоты и щелочи. Значения pH ниже 7 указывают на кислый раствор, значения выше делают раствор щелочным.
2. Шкала кислотности включает значения от 0 до 14. Эта шкала логарифмическая — изменения pH на одну единицу соответствует изменению концентрации ионов водорода в 10 раз.
3. Важно запомнить, что буферные свойства цитоплазмы зависят от концентрации анионов слабых кислот. При большом количестве анионов они легко могут удалить протоны водорода и понизить кислотность в клетке.
Фосфатная буферная система
2. Главная роль фосфатной буферной системы состоит в том, что она поддерживает кислотно-щелочной баланс в просвете канальцев почки, а также внутриклеточной жидкости.
3. Фосфатов вообще больше внутри клетки, чем вне ее. Эта буферная система имеет мало отношения к внеклеточной жидкости.
Бикарбонатная буферная система
Содержание химических соединений в клетке
1. На первом месте по массе в процентах на сырую массу стоит вода — 75–85 процентов.
2. Далее идут белки — 10–20 процентов, жиры — 1–5 процентов, углеводы — 0,2–2 процента.
3. При потере части воды организмы могут утрачивать признаки жизни — такое состояние называется анабиозом. При улучшении условий они могут снова стать активными. Гибель организмов происходит при потере значительной части воды.
Что такое буферность клетки какими ионами она обеспечивается
а) Внутриклеточные буферные системы и роль белков. Белки вследствие высокого содержания во внутриклеточной жидкости являются наиболее важными компонентами внутриклеточных буферных систем.
Несмотря на то, что рН в клетках немного ниже, чем снаружи, его величина внутри клеток изменяется в соответствии с колебаниями во внеклеточной жидкости. Протоны и бикарбонаты медленно и в небольшом количестве диффундируют через клеточную мембрану, поэтому для восстановления равновесия обычно требуется несколько часов. Исключение составляют лишь эритроциты, в которых равновесие восстанавливается очень быстро.
СО2, тем не менее, способен к быстрой диффузии через мембрану. Диффузия компонентов бикарбонатной буферной системы изменяет рН внутри клеток в соответствии с колебаниями во внеклеточной жидкости. По этой причине внутриклеточные буферные системы препятствуют изменению рН во внеклеточной жидкости, хотя для достижения максимального результата может потребоваться несколько часов.
В эритроцитах главным является гемоглобиновый буфер (Нb), действующий следующим образом:
В дополнение к высокой концентрации белков в клетках другим фактором, увеличивающим буферную емкость, является значение рК белков, близкое к 7,4.
б) Изогидрическое правило: в растворе, содержащем несколько буферных систем, поддерживается одна и та же концентрация ионов водорода. Ранее мы исследовали индивидуальные свойства каждой из буферных систем в отдельности, без учета их взаимодействий с другими. Тем не менее, все они работают слаженно, поскольку уровень содержания ионов Н+ во всех жидких средах одинаков. Но каждый раз, когда возникает изменение концентрации протонов во внеклеточной жидкости, этому препятствуют все буферные системы. Это явление называют изогидрическим правилом, которое выражается следующим уравнением:
где K1, К2, К3 — константы диссоциации трех соответствующих кислот, HA1, HA2, HA3 и A1, A2, A3 — концентрация свободных анионов, которые составляют основания трех буферных систем.
Согласно этому правилу любое условие, изменяющее равновесие в одной из буферных систем, также смещает его и во всех остальных, поскольку буферные системы взаимодействуют между собой, перераспределяя ионы Н+.
Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021
— Вернуться в оглавление раздела «Физиология человека.»