HOMEOSTAZA ORGANIZMU
PODSTAWY FIZYKOCHEMICZNE
WYKA
AD II
1
Przypuśćmy, że mamy roztwór słabego kwasu (HA) i jego soli (A-), stanowiącej
zarazem sprzężoną zasadę do tego kwasu.
W roztworze zawierającym słaby kwas (HA) muszą być zachowane takie warunki,
aby stała dysocjacji tego kwasu miała wartość niezmienną
HA
H+ + A-
NaA
Na+ + A-
x
A-
H+
Ka =
HA
W roztworze obok kwasu obecna jest także sól, która jako całkowicie zdysocjowana
dostarcza dużą ilość jonów A-, co powoduje cofnięcie dysocjacji kwasu. Również
hydroliza soli w obecności kwasu praktycznie nie zachodzi.
W stanie równowagi przyjmuje
x
A- + A-
H+
A- <
< A- się, że [HA] równa się
Ka =
początkowemu stężeniu kwasu
HA
cHA, a [A-] - stężeniu soli cA-
CA-
x
CA-
H+
Ka =
log
pKa
+
pH =
CHA
CHA
CHA
a ogólnie:
Czasada Brönsteda
x
=
H+ Ka CA- - log
log
pKa +
pH =
2
Ckwas Brönsteda
BUFORY FIZJOLOGICZNE
a) BUFOR WODOROW
GLANOWY
pCO2
H2CO3 að x
=
b) BUFOR FOSFORANOWY
6.8
c) BUFORY BIAA
KOWE
szczególnie:
BUFOR HEMOGLOBINOWY
d) BUFOR AMONOWY
3
POJEMNOŚĆ BUFOROWA
Wykres przdstawia miareczkowanie
słabego kwasu HX mocną zasadą. W
wyniku reakcji powstaje sól tego kwasu.
W zależności od ilości dodanego NaOH
powstają zmienne ilości soli. Sól i kwas
HX tworzÄ… mieszaniny buforowe o
zmiennym pH.
Odcinki a i b przedstawiają: (a) - ilość moli H+ dodanego do buforu o określonym składzie (b) - zmianę pH ( D pH).
Pojemność buforowa (b) = a/b = a/D pH. Pojemność buforu oblicza się na 1l (1 dm3) roztworu.
Pojemność buforowa (b) rośnie gdy:
żð wzrasta molowość buforu (suma molowoÅ›ci skÅ‚adników)
żð pH buforu zbliża siÄ™ do wartoÅ›ci pKa kwasu HX tworzÄ…cego bufor
UWAGA: Pojemności buforowe wykazywane w stosunku do mocnych kwasów i zasad są różne.
Mocne kwasy sÄ… lepiej buforowane, gdy pH buforu > pKa, a mocne zasady gdy pH buforu < pKa.
4
POWSTAWANIE I WA
AÅšCIWOÅšCI KWASU W
GLOWEGO
CO2(g) CO2(aq)
K1 K2
CO2(aq) + H2O H2CO3 H+ + HCO3-
K1 x K2 = [H2CO3]/[ CO2(aq)] x [H+][HCO3-]/[H2CO3] = K = 4.47 x 10-7
Wypadkowa stała K jest stałą pozorną; pKa = 6.35
UWAGA:
Stała dysocjacji kwasu H2CO3 K2 = 3.16 x 10-4 (pK = 3.5)
a stała K1 około 1.5 x 10-3
W ORGANIZMIE REAKCJA UWODNIENIA CO2 I ODWODNIENIA H2CO3
JEST KATALIZOWANA PRZEZ ANHYDRAZ
W
GLANOW
- ENZYM
5
NORMALNY ZAKRES pH I ST
ŻEC

SKA
ADNIKÓW BUFORU
WODOROW
GLANOWEGO KRWI (OSOCZA)
pH = 7.35  7.45
[HCO3 ] = 22  26 mM
pCO2 = 35  45 mmHg
4.7  6.1 kPa
[CO2] = 1.05  1.35 mM
*
1 mmHg = 133.3 Pa = 0.133 kPa
1 kPa = 7.5 mmHg
6
ROZPUSZCZALNOŚĆ GAZÓW W CIECZACH ZALEŻNA
OD CIÅšNIENIA PARCJALNEGO GAZU W DANEJ
TEMPERATURZE np. dla CO2
[CO2] = að×ðpCO2
að - w milimolach/ l·mmHg
albo
að - w milimolach/l ·kPa
7
pH NIEKTÓRYCH PA
YNÓW NATURALNYCH
[H+] [mM]
SOK CYTRYNOWY 2.2  2.4 6800  4000
WINO 2.8  3.8 1600  160
OCET 3.0 1000
SOK POMIDOROWY 3.5 316
PIWO 4.7 100  10
SER 4.8  6.4 16  0.4
[H+] [nM]
MOCZ 4.8  7.5
MLEKO 6.3  6.8 500  250
ÅšLINA 6.35  6.85 316  31.6
OSOCZE 7.35  7.45 45  36
PA
YN MÓZGOWO-RDZENIOWY 7.35  7.45 45  36
WODA MORSKA 8.0 10
SOK ŻOA

DKOWY 0.9  1.0 108
SOK TRZUSTKOWY 7.5  8.0 30  10
8
uwalnianie tlenu:
CO2 O2
HbO2 Hb + O2
naczynia kapilarne
CO2
pobór tlenu:
Hb + O2 HbO2
O2
Zmiany w zawartości O2
zachodzÄ… w naczyniach
kapilarnych
CO2 O2
9
O2
CO2
10
GRADIENTY CIÅšNIEC
PARCJALNYCH (mmHg)
pO2 pCO2
POWIETRZE
158 0.3
ATMOSFERYCZNE
POWIETRZE
100 40
W P
CHERZYKACH
PA
UC
KREW T
TNICZA
90 40
(KAPILARY PA
UC)
KREW W NACZYNIACH
40 46
KAPILARNYCH (ŻYLNA)
PA
YN ŚRÓDMI
ŻSZOWY
30 50
KOMÓRKI
10 50
11
ZMIANY CIÅšNIENIA PARCJALNEGO O2, CO2 I TOWARZYSZ
CY IM
PRZEPA
YW GAZÓW
Suche powietrze
atmosferyczne
P O 2
= 21.04 kPa
P CO 2 = 0.04 kPa
P N 2 = 79.26 kPa
Pęcherzyki płucne
P = 13.30 kPa
O 2
P = 5.30 kPa
CO 2
P = 76.20 kPa
N 2
P = 6.20 kPa
H 2 O
Krew tętnicza
Krew żylna
= 1 2.63 kPa
P O 2
O 2
P = 5.32 kPa
P CO 2 = 5.32 kPa P CO 2 = 6.11 kPa
Komórki różnych
tkanek
P O 2 = 2.99 kPa
P CO 2 = 6.11 kPa
12
P N 2 = 76.20 kPa
WYMIANA GAZÓW W NACZYNIACH KAPILARNYCH
O2
CO2 O2
CO2
CO2 O2
O2
CO2
13
POWSTAWANIE HCO3- W ERYTROCYTACH
TKANKI OSOCZE ERYTROCYTY
O2 O2
CO2 CO2 CO2
Hb-O2
+ +
H2O
H2O
(powoli) ANHYDRAZA
W
GLANOWA
H2CO3
H2CO3
Cl-
H+
HCO3- HCO3- + H+
Hb-
BIAA
KO
OSOCZA
H+Hb-
pKa = 8.18
H+Hb- H+ + Hb- pKa = 8.18
14
H+Hb-O2 H+ + Hb-O2 pKa = 6.62
UWALNIANIE CO2 W PA
UCACH
P
CHERZYKI
OSOCZE ERYTROCYTY
PA
UCNE
O2 O2
CO2 CO2 CO2
Hb-O2
+
H2O
ANHYDRAZA
W
GLANOWA
H2CO3
Cl-
HCO3- HCO3- + H+
Hb-
H+Hb-
15
 Wytworzony w komórkach CO2 dyfunduje do osocza i tu jego część tworzy H2CO3 w
reakcji z wodą (proces wolny). Większa część powstałego w tkankach CO2 dyfunduje do
erytrocytów tworząc szybko (proces katalizowany przez anhydrazę węglanową) kwas weglowy. W
erytrocycie kwas węglowy dysocjuje uwalniając jony wodorowe, które to reagując z HbO2
powodujÄ… uwalnianie tlenu. Odtlenowana hemoglobina (HHb) wykazuje silniejszy charakter
zasadowy i dzięki temu wiąże nadmiar jonów H+ - działanie buforujące. Powstały w wyniku
dysocjacji HCO3- dyfunduje do osocza. W efekcie stężenie HCO3- w osoczu prawie się nie zmienia.
Miarą buforowania jest zwiększenie stężenia wodorowęglanu w przestrzeni pozakomórkowej.
Około 70% wytworzonego w komórkach CO2 transportowane jest do płuc jako HCO3- (z osoczem),
zaÅ› 20 % reaguje w eryrtocycie z grupami aminowymi hemoglobiny dajÄ…c pochodne
karbaminianowe:
®ð
Hb-NH2 + CO2 Hb-NH-COO- + H+
Krew żylna w naczyniach włosowatych płuc ulega nasyceniu tlenem. Odtlenowana
hemoglobina reaguje z tlenem tworzÄ…c formÄ™ utlenowanÄ… HHbO2 (oksyhemoglobina). PowstajÄ…ca
HHbO2 jest mocniejszym kwasem, niż HHb. Dlatego też wytworzenie oksyhemoglobiny powoduje
wydzielanie H+, które to z kolei reaguje szybko z HCO3- dając H2CO3. Kwas węglowy rozkłada się
szybko do wody i CO2 (proces katalizowany przez anhydrazę węglanową). Odtwarzany w ten
sposób CO2 dostaje się do powietrza w pęcherzyku, gdzie cisnienie parcjalne CO2 jest niższe, niż w
tkankach. W ten sposób CO2 zostaje wydalony z powietrzem oddechowym.
W efekcie powstajÄ…ce w tkankach jony H+ oraz CO2 sÄ… przenoszone z tkanek (miejsce
powstawania) do płuc (miejsce wydalania) bez istotnych zmian pH. W sytuacji, gdy układ
oddechowy nie jest w stanie w pełni doprowadzic pH krwi do wartości normalnych, to po kilku
godzinach proces buforowania podejmują nerki przez wzmożone wytwarzanie wodorowęglanów
(HCO3-).
16
CENTRUM AKTYWNE ANHYDRAZY W
GLANOWEJ
His 96
Glu 117
Zn+2 H2O
His 119
His 94
His
His
O
O
His C
His Zn+2 O
Zn+2 O- C
O-
O H
H
His
His
H2O
His
O
His
Zn+2 H+ +
O- + HO C
O- 17
H
His
H
N
O
C CH2
N
O
CH2
Asp 94
His 146 H
A
AC
CUCH b DEOKSYHEMOGLOBINY
PO UTLENOWANIU
UTLENOWANIE
HEMOGLOBINA STAJE SI

SILNIEJSZYM KWASEM 
ODDYSOCJOWUJE JON
WODOROWY
CH2
N
Asp 94
C
N
O
O
CH2
H
His 146
H
!
18
A
AC
CUCH b UTLENOWANEJ HEMOGLOBINY
H+, CO2, Cl- I METABOLIT:
2.3-DWUFOSFOGLICERYNIAN (4.5 mM)
UA
ATWIAJ
DYSOCJACJ
O2
OD HEMOGLOBINY!
S
UJEMNYMI EFEKTORAMI ALLOSTERYCZNYMI Hb!
PODWYŻSZENIE pH (USUWANIE H+) UA
ATWIA
WI
ZANIE O2 PRZEZ Hb  EFEKT BOHRA
I ODWROTNIE: OBNIŻENIE pH UA
ATWIA
DYSOCJACJ
HbO2 do Hb i O2
19
REABSORBCJA JONÓW WODOROW
GLANOWYCH
W NERKACH
Readsorbcja przesÄ…czonych HCO3- w kanalikach nerkowych
umożliwia regulację stężenia tego anionu w osoczu. Jony
HCO3- w kanalikach reagują z H+ dając CO2, który to po
przedyfundowaniu do komórki tworzy kwas węglowy. Kwas
węglowy dysocjuje ponownie na H+ i HCO3-. Mechanizm ten
umozliwia :
żð readsorbcjÄ™ HCO3- w warunkach normalnych
żð wydalanie nadmiaru HCO3-
żð odtworzenie HCO3-, które zostaÅ‚y zużyte w reakcjach
z kwasami (kwasice metaboliczne)
Powstawanie w wyniku przemian metabolicznych
substancji kwaśnych (np. kwas mlekowy) powoduje
uruchomienie procesów, które "oszczędzają" zasady
obecne w płynie pozakomórkowym. Nadmiar jonów H+
reaguje z jonami wodorofosforanowymi i amoniakiem.
Powstałe jony diwodorofosforanowy oraz kation amonowy
wydalany jest z moczem. Intensyfikacja tych procesów
powoduje zakwaszenie moczu
20
WSPÓA
DZIAA
ANIE PA
UC, NEREK
I ERYTROCYTÓW W KONTROLI pCO2 [HCO3-]
I pH KRWI
pH = 7.4
METABOLIZM
PA
UCA
CO2
TLENOWY
5.3 kPa
(40 mmHg)
HCO3-
25 mmoli/l
ERYTROCYTY NERKI
21
STAA
E DYSOCJACJI Ka i pKa, 250C,
NIEKTÓRYCH KWASÓW:
Ka pKa
KWAS SZCZAWIOWY 5.37 x 10-2 1.27 (pK1)
H3PO4 7.08 x 10-3 2.15 (pK1)
KWAS CYTRYNOWY 7.11 x 10-4 3.13 (pK1)
KWAS MRÓWKOWY 1.78 x 10-4 3.75
KWAS BURSZTYNOWY 6.17 x 10-5 4.21 (pK1)
SZCZAWIAN- 5.37 x 10-5 4.27 (pK2)
KWAS OCTOWY 1.74 x 10-5 4,76
CYTRYNIAN- 1.74 x 10-5 4.76 (pK2)
BURSZTYNIAN- 2.29 x 10-6 5.64 (pK2)
H2CO3 4.47 x 10-7 6.35
CYTRYNIAN2- 3.98 x 10-7 6.40 (pK3)
H2PO4- 6.31 x 10-8 7.20 (pK2)
NH4+ 5.65 x 10-10 9.25
HCO3- 4.68 x 10-11 10.33 (pK2)
Kwasy zaznaczone niebieskim kolorem są słabsze niż kwas węglowy. Dlatego ich sprzężone zasady
np. (HPO42- lub NH3) reagują z H+ w większym stopniu niż HCO3-.
22
WARTOÅšCI pKa GRUP JONIZUJ
CYCH W BIAA
KACH
Tabela przedstawia reszty aminokwasów bialkach które wykazują charakter słabych kwasów. Zasady sprzężone:
histydyny, cysteiny,tyrozyny,i argininy oraz grupy aminowe (-NH2 ) wydajniej "wychwytują"" jon H+ niż HCO3-.
Ich pKa> 6.35 , pKa(H2CO3) = 6.35
GRUPA: KWAS ZASADA pKa
KOC
COWA
- COO-
- COOH 3.1
+ H+
KARBOKSYLOWA
KWAS ASPARAGINOWY
- COO-
- COOH 4.4
+ H+
I GLUTAMINOWY
CH2
CH2
HISTYDYNA
6.5
+ H+
NH+
NH N
NH
KOC
COWA AMINOWA - NH3+ - NH2
+ H+ 8.0
CYSTEINA
8.5
- S- + H+
- SH
TYROZYNA
10.0
OH O- + H+
LIZYNA
11.0
- NH3+ - NH2
+ H+
NH2+
NH
ARGININA
12.0
NH
C
NH
C
+ H+
NH2 23
NH2
PRZYKA
ADY ZABURZEC
RÓWNOWAGI
KWASOWO-ZASADOWEJ
Przykład:
pH HCO3- pCO2
 CZYSTA KWASICA METABOLICZNA:
pH = 7.20, [HCO3-] =15mM, pCO2 = 41mmHg
7.35 22 N
 CZYSTA KWASICA ODDECHOWA:
pH = 7.25, [HCO3-] = 25mM, pCO2 = 57mmHg
7.35 N 45
 CZYSTA ALKALOZA METABOLICZNA:
pH = 7.56, [HCO3-] =34mM, pCO2 = 40mmHg
7.45 26 N
 CZYSTA ALKALOZA ODDECHOWA:
pH = 7.52, [HCO3-] = 22mM, pCO2 = 28mmHg
7.45 N 35
SKOMPENSOWANA KWASICA ODDECHOWA:
pH = 7.39, [HCO3-] =34mM, pCO2 = 58mmHg
7.35-7.40 26 45
24
LOSY JONÓW WODOROWYCH
A. Jony wodorowe mogą być wbudowane w wodę:
1) w wyniku fosforylacji oksydacyjnej (w warunkach dobrego
zaopatrzenia w tlen);
2) w reakcji z HCO3-:
H+ + HCO3- H2CO3 H-O-H + CO2
ale w tym wypadku z powodu odwracalności tych reakcji H+ są
neutralizowane tylko, gdy CO2 jest eliminowane z organizmu;
B. Jony wodorowe sÄ… wydalane z organizmu przez nerki! Ten
mechanizm jest sprzężony z regeneracją HCO3-.
UWAGA!
Buforowanie H+ jest działaniem doraz
nym. H+ zawarty w
sprzężonym kwasie pary buforującej wywołuje drobną zmianę pH.
Jeśli nie jest zneutralizowany i jego produkcja trwa, zasady buforujące
zostaną zużyte i pH spadnie!
POPRZEZ REAKCJE W PUNKTACH A.2 i B LOSY H+
25
S
ÅšCIÅšLE ZWI
ZANE Z PAR
HCO3- /CO2
CIÅšNIENIE OSMOTYCZNE
CzÄ…steczki wody po obu stronach blony
Rys 1
półprzeuszcalnej mają różne szanse przejścia
przez błonę. Przejście ze strony prawej na lewą
jest utrudnione z uwagi na blokowanie porów
błony przez molekuły substancji rozpuszczonej
(Rys 1). Efekt ten powoduje stały przepływ wody z
lewej komory do prawej do momentu, gdy
ciśnienie wpływającej (ciśnienie osmotyczne)
wody zostanie zrównoważone przez ciśnienie
hydrostatyczne. Ciśnienie osmotyczne rośnie
wraz ze stężeniem substancji, ponieważ im
większe stężenie, tym większy procent porów jest
blokowany przez czÄ…steczki substancji
rozpuszczonej (większa różnica przepływów przez
Zachowanie komórek w roztworach
błonę).
Dla roztworów rozcieńczonych:
o różnej toniczności
P = i cRT
R  stała gazowa, T-temperatura (K), c  stężenie molowe
i  współczynnik określajacy na ile jonów dysocjuje
substancja rozpuszczona (np.: glukoza i =1,
NaCl i =2, Na2SO4 i = 3)
IZO HYPO- HYPER-
TONICZNOŚĆ
26
RÓWNOWAGI DONNANA
Białka jako wielkocząsteczkowe koloidy nie mogą przenikać przez błony
półprzepuszcalne ale wpływają na rozmieszczenie elektrolitów po obu
stronach błony półprzepuszczalnej.
Przed ustaleniem się równowagi
Na+ B- (c1)
Na+Cl- (c2)
W stanie równowagi
Na+ c1 + x
Na+ c2  x
B- c1
Cl- c2  x
Cl- x
[Na+]L [Cl-]L = [Na+]P[Cl-]P
Spełnione sa dwa warunki:
(c1+ x) x = (c2  x)2
(1) Suma stężeń anionów jest równa sumie
stężeń kationów po obu stronach błony.
Po rozwikłaniu:
(2) Iloczyn stężeń jonów przechodzących ze
strony lewej na prawą równa się iloczynowi
stężeń jonów przechodzących ze strony
x = c22 / c1 + c2
prawej na lewÄ….
27
DIALIZA
Przed osiągnięciem stanu równowagi
Na+ c1
H2O
B- c1
Na+ Cl- c2
Kationy c1+ c2
Aniony c1+ c2
Po osiagnięciu stanu równowagi
Na+ c1
B- c1
Na+ x
Na+ c2  x
Cl- x
Cl- c2 - x
Kationy c1+c2-x
Aniony c1+c2-x
W wyniku ustalenia się stanu równowagi pewna ilość soli (x) przedyfundowła
z roztworu koloidalnego do wody. Powtarzając ten proces wielokrotnie można
całkowicie "wypłukać" sól z roztworu białka.
28
CIÅšNIENIE ONKOTYCZNE
Koloidy białkowe otoczone są warstewką
hydratacyjną (woda związana). Jeżeli
stężenia białek po obu stronach błony są
różne, to roztwór bardziej stężony wiąże
więcej cząsteczek wody - pojawia się
tendencja do przechodzenia wody do
roztworu bialka o większym stężeniu.
A
Ponadto cząsteczki białka blokują pory
B
błony. co dodatkowo faworyzyje ruch
czÄ…steczek wody w kierunku
bardziej stężonego roztworu białka.
W kapilarze ciśnienie hydrostatyczne zmniejsza się w kierunku A do B (około 15-30
mmHg). Jednocześnie obserwuje się róznice ciśnienia osmotycznego między osoczem a płynem
pozakomórkowym z uwagi na różną zawartość albumin w osoczu (7-9%) i w płynie poza-
komórkowym (1-2%) O ile ciśnienie hydrostatyczne ułatwia transport wody w kierunku tkanek
(poprzez płyn pozakomórkowy). to ciśnienie osmotyczne "cofa" wodę do naczynia. Efekt
wypadkowy zależy od miejsca w kapilarze. W punkcie A ciśnienie hydrostatyczne jest większe od
osmotycznego i dlatego przeważa transport wody oraz drobnych cząsteczek (np. O2) do tkanek, w
punkcie B ciśnienie osmotyczne jest większe niż hydrostatyczne  dlatego dominuje transport wody
i metabolitów (np. CO2) do naczynia. Różnica tych ciśnień nazywana jest ciśnieniem onkotycznym.
Ciśnienie onkotyczne umożliwia prawidłową dystrybucję wody w tkankach. Jeżeli stężenie białek
29
obniża się do poziomu poniżej 3% dominuje przechodzenie wody do tkanek  powstają obrzęki.
STOPIEC
NASYCENIA - BIAA
KO/LIGAND
BL Ä! B + L
KD = [B][L] / [BL]
Y = [L]/ {[L] + KD }
Y = [L]/ { [L] + [B][L]/[BL] }
= [L][BL]/ { [L][BL] + [B][L] }
= [BL]/ { [BL] + [B] }
Y = [BL]/ [B t]
[Bt] - " bialko całkowite"
SPRAWDy
 Jeżeli Y = 50% (0.5) to [L] = KD
30
KRZYWA WYSYCENIA
31


Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
Homeostaza 3
Homeostaza społeczna [w] Procesy samoregulacji w oświacie, 1983
Marian Mazur Homeostaza społeczna [1983 Artykuł]
149 Scharakteryzuj homeostaze zilustruj wykresami
32 Homeostaza zdolnosc ukladow biologicznych do regeneracji i kompensacji
Rola pniowego systemu homeostazy w udarze mózgu
Cuberbiller, Homeostaza zamiast Inteligentnego Projektanta (czyli jak darwiniści ratują się przed kr
Homeostaza 1
Klimkiewicz Jakub Patofizjologia zaburzeń homeostazy
Homeostaza 2
9 Scharakteryzuj homeostazÄ™
C6 2 homeostaza WWP 1 2 1
HOMEOSTAZA
lecture slides Powerpoint Slides Week1 1 1 Homeostasis revised

więcej podobnych podstron