ACIDOBAZNA RAVNOTEŽA

• Voda - karakteristike

• pH

• Henderson-Hasselbachova jednačina

• Puferi

• Puferski sistemi u organizmu

• Osnov života

• 2/3 zemljine površine čini voda

• Sastavni dio svih živih ćelija

• 65-64% H2O ulazi u sastav ljudskog organizma

• Fizičke karakteristike (T.t., T.k., toplota

isparavanja, površinski napon)

• Asimetrična raspodjela naelektrisanja

ispoljava se kao polarizacija molekula

• Ugao H-O-H veze je 104,5°

• Jedinstvena struktura

• Poređenje sturkture H2O i CH4

• Formiranje dipola i dipolni momenat

• Vodikova veza (H veza)

• Tečno agregatno stanje (O-H....O)

• 3-4 H veze (20kJ/mol)

• 10-12 s

• Fiksne H-veze (4)

• Niža gustina od tečne vode

• Biološki značaj

• Toplotni kapacitet vode

• Evaporativno hladjenje

• Kohezija – privlačenje molekula

iste vrste

• Površinska napetost

• Formiranje sfernih kuglica

• Podupiranje malih predmeta

• Adhezija – držanje vode i za druge

molekule

• Posebno jake veze u slučaju vezivanje

za naelektrisane naboje

• Kapilarno djelovanje

• Menisk

• Značaj adhezije vode

• Nekovalentna vezivanja

• Elektrostatske interakcije – nastaju između + i – iona. Veza nije

usmjerena

• Van der Waalsove sile – slabe sile između privremenih dipola,

mogu biti odbojne ili privlačne

• Hidrofobne interakcije – nepolarne molekule u polarnom

okruženju

• Nisu tako jake, ali aditivni učinak mnogih nekovalentnih veza

može stabilizirati molekulu. Nekovalentne veze su vrlo važne u

strukturi proteina i nukleinskih kiselina.

Tip veze Energija (kJ/mol)

Kovalentna veza 350

Elektrostatska privlačenja 15

Van der Waalsova sila 10

Vodikova veza 21

• Voda je otapalo

• Jonske i polarne molekule; organske molekule sa joniziranim

grupama, neutralne organske molekule sa polarnim

funkcionalnim grupama

• Amfoterne molekule – sa polarnim i nepolarnim grupama (soli

viših masnih kiselina formiraju micele u vodi

• Ne otapaju masnoće

• Pri otapanju može doći do potpunog disociranja soli u ione, a karboksilne kiseline najčešće samo djelomično disociraju.

• Po topljivosti u vodi razlikuju se:

• hidrofilne (aminokiseline, šećeri, nukleinske kiseline)

• hidrofobne (masti i lipidi) vrste spojeva.

• Rastvorljivost polarnih jedinjenja se temelji na obrazovanju vodikove veze sa polarnim funkcionalnim grupama

• Voda može biti reaktant ili produkt neke hemijske reakcije.

• Prilikom nastajanja makromolekula - proteina i nukleinskih kiselina, formalno se sastojci povezuju uz odcjepljenje vode.

• Jonski proizvod vode

• [H+]x[OH-]=Kw=10-14

• pH= - log [H+]

• pH + pOH = 14

• pH krvi 7,35 – 7,45 (37-43nM – bez metaboličkih posljedica)

• želučani sok (pH 1.5 – 3.0)

• sadržaj tankog crijeva (pH oko 8)

• urin (pH oko 5)

• Kiseline - donori H+

• Baze – akceptori OH -

• Konstanta disocijacije, Ka

• pKa= -log Ka

• Niža vrijednost pKa – jača kiselina

• Henderson-Hasselbalchova jednačina - vrlo praktična za

izračunavanje pH vrijednosti koje se uspostavljaju u smjesama

soli i kiselina

• Titracione krive – praćenje promjene pH

• Dodavanje baze NaOH kiselinama: HCl i CH3COOH

• U biohemiji je pojam pH vrlo važan, jer mnogi procesi u živim organizmima jako ovise o koncentraciji H+ iona, tj. pH vrijednosti.

• Organizam je vodena sredina u kojoj su enzimski sistemi djelotvorni samo kod optimalne koncentracije hidrogenovih iona i već samo mala odstupanja mogu dovesti do značajnih promjena u njihovoj aktivnosti.

• Hidrogenovi ioni se neprekidno oslobađaju i/ili vežu tokom mnogobrojnih fizioloških procesa.

• Enzimi koji kataliziraju stanične reakcije i brojne molekule na koje oni djeluju, sadrže jonizirajuće grupe sa karakterističnim pKa vrijednostima.

• Ćelije i organizmi održavaju specifičan i stalan citosolni pH,

obično blizu pH 7, držeći biomolekule u njihovom

optimalnom jonskom stanju.

• karboksilne i protonirane amino grupe aminokiselina i

fosfatne grupe nukleotida funkcioniraju kao slabe kiseline, a

njihovo jonsko stanje određeno je pH vrijednošću sredine

• Neke visokospecijalizirane organele i izvanstanični prostori

imaju visoke koncentracije spojeva koji doprinose

puferskom kapacitetu: organske kiseline puferiraju vakuole

biljnih stanica; amonijak puferira urin itd.

• Puferi imaju osobinu da vežu H+-ione (i OH- ione) i tako

ublažavaju promjene pH koje nastaju dodatkom kiselina,

odnosno baza.

• Puferi su smjese slabe kiseline i njene konjugovane baze, ili

slabe baze i njene konjugovane kiseline.

• Slaba kiselina ne otpušta H+ ione lako, kao što ni slaba baza ne

prima H+ ione onako kako to čini jaka baza.

• Puferi održavaju pH vežući H+ ili OH- ione i na taj način

stabiliziraju promjene pH.

• Puferski kapacitet zavisi od dva faktora:

Molarne mase kiselina – konjugovana baza

Omjera njihovih koncentracija. Koncentracija pufera je definisana kao suma koncentracija njihovih komponenti

Npr. 0,2M acetatni pufer sadrži 0,1 M acetatnu kiselinu i 0,1 M natrij-acetat ili 0,05 M acetatnu kiselinu i 0,15M natrij-acetat. Najefikasniji puferi imaju jednake koncentracije obje komponente.

Njihovo pufersko djelovanje najbolje je u području pK vrijednosti.

• Ljudski organizam je ekstremno osjetljiv na promjene pH

vrijednosti, pa prema tome posjeduje snažne mehanizme

održavanja pH vrijednosti u uskim granicama.

• Većim promjenama pH vrijednosti, proteini se denaturišu,

enzimi gube svoje katalizatorske sposobnosti, što vodi ka

letalnom ishodu.

• Održavanje niskih koncentracija H+ jona u izvanstaničnoj

tekućini vrši se pomoću tri mehanizma:

Razrjeđivanjem u tjelesnim tekućinama

Puferiranjem (umanjuju promjene, ali bez aktivne

intervencije)

Odstranjivanje iz tijela

• Respiracijskim sistemom

• Bubrežnim sistemom

• Konstantni pH tjelesnih

tekućina održava se putem

tri puferska sistema

• Proteinskog

• Karbonatnog

• Fosfatnog

• U vanćelijske (ekstracelularne) pufere spadaju

• bikarbonatni i amonijačni puferi

• Unutarćelijski (intracelularni) puferi su

• proteinski i fosfatni

• Npr. Ukoliko promjena acido-baznog statusa prevazilazi moć

ovih hemijskih puferskih sistema, moguće je korigovati ga

promjenama plućne ventilacije u kratkom vremenskom roku.

• Bikarbonatni pufer –

• Smjesa H2CO3 i njenih soli NaHCO3,

• ovaj pufer je važan samo kao vanćelijski pufer

• Dodatkom jake kiseline

• Hidrogenovi ioni reaguju s bikarbonatnim ionom stvarajući H2CO3

• pH rastvora blago raste

• Bikarbonatni pufer

• Obje komponente se lako mogu regulisati

• c (CO2) se kontrolira respiracijom

• c (HCO3-) se kontrolira pomožu bubrega

• Bikarbonatni puferski sistem je kvantitativno najznačajniji, CO2

može da daje karbonatnu kiselinu (H2CO3) koja može da disocira

na ione vodika i bikarbonatni ion (HCO3-).

• Poštovanje Le Chatelier-ovom principa

• Ako je smanjena koncetracija HCO3- bubrezi uklanjaju H+ jone z

krvi, pomjerajući jednačinu u smjeru rasta koncentracije HCO3-

Acetatna kiselina se gradi iz CO2. Ako je acetana kiselina dodata

bikarbonatnom sistemu smanjuje se koncentracija HCO3- i

povećava koji se izbaciju izdahom iz organizma CO2

• Koncentracija H+ jona kod zdravog čovjeka je [H+]=35-45

nmol/L

pH = 7,35-7,45

(Ova koncentracija je oko milion puta manja od koncentracije HCO3

- jona

koji je njegov pufeski par, a oko 3,5 miliona puta manja od Na+ jona.)

• „čarobnih 20/1“

7,4 = 6,1 + log[HCO3-] / [CO2]

7,4 = 6,1 + log 24 nmol/L/1,2 nmol/L

7,4 = 6,1 + log 20/1

7,4 = 6,1 + 1,3

• Npr. da se zbog neke plućne bolesti koncentracija CO2 poveća 2

puta...

6,1 + log 24 nmol/L / 2,4 nmol/L =

6,1 + log 10/1 =

6,1 + 1 = 7,1

• Na koji način homeostatski mehanizmi sada rade, kako bi se pH vratio

u željeno područje tj. kako bi se željenji odnos koncentracija vratio na

20/1?

• Ukoliko nije moguća trenutna intervencija tj ako je ovakvo stanje

duže, jedina intervencija je na koncentraciju bikarbonata

• (preko tjelesnih tekućina i radom bubrega)

6,1 + log 48 nmol/L / 2,4 nmol/L =

6,1 + log 20/1 =

6,1 + 1,3 = 7,4

• Fosfatni pufer - smjesa H2PO4- i HPO4

2- uz Na+

• Važan u tubulskoj tekućini bubrega zbog visokih

koncentracija fosfata i u staničnoj tekućini.

• Fosfatni puferski sistem ima maksimalnu efikasnost pri pH

bliskom njegovoj pKa vrijednosti od 6,86, a odupire se

promjeni pH u području između 5,9 i 7,9.

• Proteinski pufer

• Proteini stanica i plazme

• ¾ snage hemijskih puferskih sistema

• najobilniji tjelesni pufer, pogotovo u stanicama.

• Promjene staničnog pH razmjerne su promjenama izvanstaničnog pH

• Hemoglobin

• Aminokiseline

• Plazma proteini

• Proteinski pufer

• Plazma i unutarćelijski proteini su moćni puferi

• Neke aminokiseline imaju

• slobodne grupe organskih kiselina (slabe kiseline)

• grupe koje se ponašaju kao slabe baze (npr. amino grupe)

• Proteinske molekule imaju amfoteran karakter pa se mogu

ponašati i kao kiseline i kao baze.

34

• Normalan pH areterijske krvi je 7.4 i smatra se da osoba ima

acidozu kada pH padne ispod ove vrijednosti, a alkalozu kada

pH poraste iznad nje.

• Kada acidobazni poremećaji nastaju zbog primarnih

promjena koncentracije bikarbonata u ekstracelularnoj

tečnosti, to se označava kao metabolički acidobazni

poremećaj.

• Zbog toga se acidoza uzrokovana primarno smanjenjem

koncentracije bikarbonata naziva metabolička acidoza,

dok se alkaloza uzrokovana primarnim povećanjem

koncentracije bikarbonata naziva metabolička alkaloza.

• Acidoza uzrokovana porastom koncentracije CO2 naziva se

respiratorna acidoza

• Respiratorna acidoza je posljedica poremećaja disanja, a često

se javlja u patološkim stanjima u kojima su oštećeni dišni centri

• Alkaloza uzrokovana smanjenjem koncentracije CO2 naziva

se respiratorna alkaloza.

• Pojačani fizički napori ili emocionalni stres uzrokuju

hiperventilaciju koja vodi u respiracijsku alkalozu.

• Glavni uzroci metaboličke acidoze su:

• povećano stvaranje metaboličkih kiselina (mliječne kiseline)

ili njihovo nedovoljno izlučivanje preko bubrega,

• dugotrajno gladovanje (stvaranje ketonskih tijela),

• gubitak baza iz tjelesnih tekućina,

• uzimanje određenih lijekova (salicilati) ili hrane itd.

• Acidoza se javlja i u nekim metaboličkim bolestima kao što je

npr. diabetes mellitus.

• Metabolička alkaloza nastaje uslijed

• dugotrajnog povraćanja (izbacivanje HCl iz želuca),

• kod uzimanja bazičnih lijekova (natrijevog bikarbonata),

• trovanja cijanidima,

• pojačanog lučenja aldosterona...

• Kliničke posljedice debalansa acidobazne ravnoteže mogu biti

• Slab vaskularni tonus

• Povećan rizik od aritmije

• Slabost mišićne strukture

• Abnormalnosti u sastavu elektrolita

• Koma

• ...