Ρυθμιστικά Διαλύματα. Ιοντισμός ασθενών οξέων και βάσεων Ασθενές οξύ: το οξύ που ιοντίζεται μερικώς στο νερό Ασθενές οξύ + Η 2 Ο συζυγής βάση + Η 3 Ο.

Παρουσίαση με θέμα: "Ρυθμιστικά Διαλύματα. Ιοντισμός ασθενών οξέων και βάσεων Ασθενές οξύ: το οξύ που ιοντίζεται μερικώς στο νερό Ασθενές οξύ + Η 2 Ο συζυγής βάση + Η 3 Ο."— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 Ρυθμιστικά Διαλύματα

2 Ιοντισμός ασθενών οξέων και βάσεων Ασθενές οξύ: το οξύ που ιοντίζεται μερικώς στο νερό Ασθενές οξύ + Η 2 Ο συζυγής βάση + Η 3 Ο + Ασθενής βάση: η βάση που ιοντίζεται μερικώς στο νερό Ασθενής βάση + Η 2 Ο συζυγές οξύ + ΟΗ - Ρυθμιστικό διάλυμα

3 Βαθμός ιοντισμού Βαθμός ιοντισμού (α) είναι το πηλίκο της συγκέντρωσης του οξέος ή της βάσης που ιοντίστηκε προς τη συνολική συγκέντρωση του οξέος ή της βάσης.  α=1  πλήρης ιοντισμός  ισχυρό οξύ ή βάση  α<1  μερικός ιοντισμός  ασθενές οξύ ή βάση α<0,1  πολύ ασθενές οξύ ή βάση

4 pH ρυθμιστικού διαλύματος HA-A - HA + Η 2 Ο A - + Η 3 Ο + Αρχικά C οξύ C βάση Ιοντίζονται/ παράγονται -x+x Ιοντική ισορροπία C οξύ -xC βάση +x+x Αν α<<0,1 πρακτικά: Και καταλήγουμε:

5 pH ρυθμιστικού διαλύματος Εξίσωση Henderson- Hasselbalch

6 Ρυθμιστική ικανότητα Όσο μεγαλύτερη η C οξύ και η C βάση τόσο μεγαλύτερη η ρυθμιστική ικανότητα Όταν C οξύ = C βάση επιτυγχάνεται η μέγιστη ρυθμιστική ικανότητα ☞ Παρασκευή ρυθμιστικού διαλύματος με pH=x Επιλέγεται οξύ με Κa=10 -x Αρκεί C οξύ = C βάση Ρυθμιστική ικανότητα: τα moles ισχυρού οξέος ή βάσης που απαιτούνται για να μεταβληθεί το pH ενός L ρυθμιστικού διαλύματος κατά 1 μονάδα pH.

7 Ρυθμιστικό διάλυμα 1: H 2 PO 4 - :0,10M και HPO 4 2- :0,20M Ρυθμιστικό διάλυμα 2: H 2 PO 4 - :0,15M και HPO 4 2- :0,30M Τι ισχύει για τo pH των δύο διαλυμάτων: το pH του διαλύματος 1 είναι μεγαλύτερο το pH του διαλύματος 2 είναι μεγαλύτερο και τα δύο διαλύματα έχουν το ίδιο pH Ποιο από τα δύο ρυθμιστικά διαλύματα μπορεί να εξουδετερώσει την προσθήκη 0,11Μ ΟΗ - : το διάλυμα 1 το διάλυμα 2 και τα δύο διαλύματα Ρυθμιστική ικανότητα

8 Ποιο από τα δύο ρυθμιστικά διαλύματα μπορεί να εξουδετερώσει την προσθήκη 0,11Μ Η 3 Ο + : το διάλυμα 1 το διάλυμα 2 και τα δύο διαλύματα Ποια από τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστή: το διάλυμα 1 έχει μεγαλύτερη ρυθμιστική ικανότητα το διάλυμα 2 έχει μεγαλύτερη ρυθμιστική ικανότητα και τα δύο διαλύματα έχουν την ίδια ρυθμιστική ικανότητα Ρυθμιστική ικανότητα

9 Παρασκευή ρυθμιστικού διαλύματος Ανάμιξη διαλύματος ασθενούς οξέος ή ασθενούς βάσης με διάλυμα της συζυγούς βάσης ή του οξέος, αντίστοιχα. Μερική εξουδετέρωση ασθενούς οξέος από ισχυρή βάση. Μερική εξουδετέρωση ασθενούς βάσης από ισχυρό οξύ.

10 Προσθήκη ισχυρού οξέος ή βάσης σε ρυθμιστικό διάλυμα

11 Αραίωση ρυθμιστικού διαλύματος με αραίωση

12 Η διατήρηση φυσιολογικής ηλεκτροχημικής καταστάσης στον ενδοκυττάριο και περικυττάριο είναι απαραίτητη για τη δυναμική και σταθεροποιημένη βιοχημική ισορροπία της ζωής. Ο κυτταρικός μεταβολισμός και η ομοιόσταση του οργανισμού απαιτούν ότι οι αποκλίσεις από την οξεοβασική ισορροπία δεν πρέπει να είναι μεγάλες. ΥγράΕλάχιστοΜέγιστο Αρτηριακό αίμα7.387.42 Φλεβικό αίμα7.317.41 Γαστρικό υγρό1.203.00 Υγρό παχέος εντέρου7.908.00 Ούρα4.808.00 Ρυθμιστικά συστήματα στον ανθρώπινο οργανισμό

13 Η μέση τιμή (±95% όρια αξιοπιστίας) του pH του αίματος (και του σώματος) είναι 7.45± 0.05. Η διακύμανση του pH, που είναι συμβατή με τη ζωή, δεν εκτείνεται πέραν των 6.85-7.80. (ανάλογα με την ηλικία και τη διάρκεια της οξεοβασικής διαταραχής). Ο όρος οξέωση περιγράφει την κατάσταση κατά την οποία το pH είναι χαμηλότερο από 7.40 και ότι υπάρχει διαταραχή που επιφέρει αύξηση της παραγωγής των Η + (έλλειμμα βάσεως). Με τον όρο αλκάλωση περιγράφονται καταστάσεις με αύξηση του pH (>7.40) που προκαλούν μείωση των Η + (περίσσεια βάσεως).

14 Με φυσιολογικό pH (=7,4), η συγκέντρωση των Η + είναι 40 nmol/L -1. Όπως είναι γνωστό, τα ένζυμα καταλύουν πληθώρα βιοχημικών αντιδράσεων, αλλά η λειτουργία των ενζύμων αυτών εξαρτάται από την ομοιόσταση του εσωτερικού περιβάλλοντος. Για το λόγο αυτό, ο οργανισμός ρυθμίζει προσεκτικά τη συγκέντρωση των Η + στο εσωτερικό του περιβάλλον, με τη βοήθεια τριών μηχανισμών: των ρυθμιστικών συστημάτων, του πνευμονικού αερισμού και της νεφρικής απεκκρίσεως. Ρυθμιστικά συστήματα στον ανθρώπινο οργανισμό

15 Εξωκυττάρια Τα κυριότερα ρυθμιστικά συστήματα, που ελέγχονται στο πλάσμα είναι τα ζεύγη: [1] ανθρακικό οξύ/διττανθρακικό νάτριο (Η 2 CO 3 /NaHCO 3 ). (53 % της ολικής ρυθμιστικής ικανότητας του αίματος). [2] δισόξινο / όξινο φωσφορικό οξύ (NaH 2 PO 4 /NaHPO 4 ). (3% της ολικής ρυθμιστικής ικανότητας του αίματος). [3] όξινες πρωτεϊνικές ρίζες/νατριούχες πρωτεΐνες (Hprot/NaProt). (7% της ολικής ρυθμιστικής ικανότητας). Εξωκυττάρια και ενδοκυττάρια ρυθμιστικά συστήματα

16 Ενδοκυττάρια Τα κυριότερα ρυθμιστικά ζεύγη που δρούν στα ερυθροκύτταρα είναι: [1] ανθρακικό οξύ/διττανθρακικό νάτριο (Η 2 CO 3 /NaHCO 3 ). (18% της ολικής ρυθμιστικής ικανότητας). [2] αναχθείσα αιμοσφαιρίνη/καλιούχος αιμοσφαιρίνη (ΗΗb/KHb) (35% της ολικής ρυθμιστικής ικανότητας). [3] όξινο φωσφορικό κάλιο/δισόξινο φωσφορικό κάλιο (ΚΗ 2 PO 4 /K 2 HPO 4 ). Εξωκυττάρια και ενδοκυττάρια ρυθμιστικά συστήματα

17 Ρυθμιστικό διάλυμα 1: Ανθρακικό οξύ/διττανθρακικό νάτριο Ο ρόλος του είναι η διατήρηση σταθερού pH πλάσματος. Στο σύστημα αυτό, το διοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ) αντιδρά με το νερό (H 2 O) προς σχηματισμό ανθρακικού οξέος (H 2 CO 3 ), το οποίο αμέσως διασπάται σε κατιόντα υδρογόνου (H + ) και όξινα ανθρακικά ανιόντα (HCO 3 - ). Καταλύεται από το ένζυμο carbonic anhydrase

18 Ρυθμιστικό διάλυμα 1: Ανθρακικό οξύ/διττανθρακικό νάτριο Μεγάλη χωρητικότητα για εξουδετέρωση οξέος αλλά μικρή χωρητικότητα για εξουδετέρωση βάσης. Αύξηση; Μείωση;

19 Ο έλεγχος της οξύτητας γίνεται ακόμα αποτελεσματικότερος εάν συνδυαστεί με την ικανότητα του οργανισμού για αναπνευστική αντιστάθμιση. Ο ρυθμός αναπνοής μεταβάλλεται ώστε να μεταβληθεί η συγκέντρωση του CO 2 στην κυκλοφορία. Αυξημένος αερισμός αυξάνει την απώλεια CO 2 στην ατμόσφαιρα, μετατοπίζοντας την ισορροπία προς αριστερά. Η διαδικασία μπορεί να συνεχιστεί έως όλη η περίσσεια Η + να καταναλωθεί. Ρυθμιστικό διάλυμα 1: Ανθρακικό οξύ/διττανθρακικό νάτριο

20 όπου

21 Ρυθμιστικό διάλυμα 1: Ανθρακικό οξύ/διττανθρακικό νάτριο όπου: [H 2 CO 3 ] : η συγκέντρωση ανθρακικού οξέος στο αίμα. k H CO2 : σταθερά που περιλαμβάνει τη διαλυτότητα του CO 2 στο αίμα. k H CO2 = 0.03 (mmol/L)/mmHg pCO 2 : η μερική πίεση του CO 2 στο αίμα.

22 Σε διάστημα 24 ωρών, οι μεταβολικές εξελίξεις σ’ έναν ενήλικα συνεπάγονται την παραγωγή 15.000-20.000 millimoles (mEq) CO 2, που αντιστοιχούν σε 13.000 millimoles H +, υπό pH πλάσματος. Στο ρυθμό αυτό παραγωγής πρέπει να ανταποκριθούν οι πνεύμονες, ώστε προσαρμόζοντας κατάλληλα τον αερισμό να επιτύχουν τη σύγχρονη αποβολή του CO 2. Αναπνευστικός και νεφρικός αντισταθμιστικός μηχανισμός. Βέλτιστη ρυθμιστική ικανότητα pH αίματος

23 Οι νεφροί, από την άλλη πλευρά, έχουν αναλάβει την εξουδετέρωση μη πτητικών (ανοργάνων και οργανικών) οξέων. Έτσι, τα ούρα 24ώρου περιέχουν 30 mmoles οξέος, κυρίως αδρανοποιημένα με φωσφορικά και 45 millimoles NH 4 +, ανάλογα με τη δίαιτα. Οι νεφροί μπορούν -για διάστημα λίγων ημερών- να αποβάλλουν περίπου 500 millimoles οξέος, κυρίως σαν NH 4 + ή ίσο ποσό βάσεως, κυρίως σαν HCO 3 -. Τα αποβαλλόμενα NH 4 + ισούνται με την ημερήσια παραγωγή οξέων από τις τροφές. Αναπνευστικός και νεφρικός αντισταθμιστικός μηχανισμός.

24 Τα ρυθμιστικά συστήματα αποτελούν πρώτης γραμμής άμυνα του οργανισμού για τη διατήρηση του pH και της οξεοβασικής ισορροπίας. Η προστατευτική τους δράση συνιστάται στη δέσμευση εισαγομένων ή ενδογενώς παραγομένων οξέων ή βάσεων. Έτσι, το pH μεταβάλλεται ασήμαντα, ενώ συγχρόνως παρέχεται ο χρόνος για την κινητοποίηση και τη δράση του αναπνευστικού και νεφρικού αντισταθμιστικού μηχανισμού. Ρυθμιστικά συστήματα στον ανθρώπινο οργανισμό

25

26 Ο ρόλος της αιμοσφαιρίνης Η ρύθμιση του pH σχετίζεται άμεσα με την αποτελεσματική μεταφορά O 2 στο σώμα. Το Ο 2 μπαίνει στο αίμα από τους πνεύμονες, περνά στα ερυθρά αιμοσφαίρια και δεσμεύεται από την αιμοσφαιρίνη.

27 Ο ρόλος της αιμοσφαιρίνης

28 Σε περιόδους έντονης άσκησης: μεγάλη κατανάλωση Ο 2 υψηλή παραγωγή CO 2  θερμοκρασίας σώματος

29 Ρυθμιστικό διάλυμα 2: Όξινα φωσφορικά/δισόξινα φωσφορικά ιόντα Το H 3 PO 4 αποτελεί προϊόν αποικοδόμησης νουκλεϊκών οξέων και φωσφοπρωτεϊνών. Μετατρέπεται πολύ γρήγορα σε δισόξινα φωσφορικά ιόντα, τα οποία έχουν εξαιρετική ρυθμιστική ικανότητα.

30 Ρυθμιστικό σύστημα πρωτεϊνών Η καρβοξυλομάδα (-COOH) και η αμινομάδα (-NH 2 ) είναι υπεύθυνες για τη ρυθμιστική ικανότητα των πρωτεϊνών. πρωτεΐνη αμινοξύ

31 Ρυθμιστικό σύστημα πρωτεϊνών Δράση ρυθμιστικού συστήματος πρωτεϊνών

32 If blood had a normal pH of 6.1 instead of 7.4, would you expect exercise to result in heavy breathing? Justify your answer. An emergency medical team evaluates an Olympic athlete and determines that she has alkalosis. What component of the carbonic acid-bicarbonate buffer would the athlete be given to decrease the pH of the blood? (carbonic acid) Hyperventilation (very rapid and deep breathing, which reduces the concentration of CO 2 in the blood) causes dizziness.  How does hyperventilation affect the pH of the blood (i.e., is the pH increased or decreased as a result of hyperventilation)? Briefly, explain your answer in terms of equilibrium shifts. (pH increases, alkalosis)  The normal first-aid treatment for hyperventilation is to have the patient breathe into a paper bag. Briefly, explain why this treatment works and tell what effect the paper-bag treatment has on the pH of the blood. (The point of breathing into a bag is to “re-breathe” your exhaled carbon dioxide (CO2) in the hopes of bringing your body back to a normal pH level)

33 The muscles produce CO 2 and H + as a result of increased metabolism The CO 2 and H + flow from the muscles to the blood If the amounts of H + and CO 2 exceed the capacity of hemoglobin, they affect the carbonic acid equilibrium and the pH of the blood is lowered, causing acidosis. The lungs and kidneys respond to pH changes by removing CO 2, HCO 3, and H + from the blood.