Ақпарат

4.5: Буферлер – Биология

4.5: Буферлер – Биология


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.

Денелері бейтарапқа жақын рН қажет ететін организмдер қышқылды және негізгі заттарды (мысалы, адам апельсин шырынын ішетін) жұтып, қалай өмір сүре алады? Буферлер кілті болып табылады. Буферлер артық Н-ді оңай сіңіреді+ немесе OH, өмір сүру үшін қажетті тар диапазондағы дененің рН деңгейін мұқият сақтау. Адам қанының рН деңгейін ұстап тұратын буферге көмір қышқылы (H2CO3), бикарбонатты ион (HCO)3) және көмірқышқыл газы (CO2). Сол сияқты, OH тым көп болса жүйеге енгізілсе, көмір қышқылы онымен қосылып, рН төмендететін бикарбонат жасайды. Бұл буферлік жүйе болмаса, дененің рН деңгейі өмір сүруге қауіп төндіретіндей өзгереді.

Буферлердің басқа мысалдары асқазанның артық қышқылымен күресу үшін қолданылатын антацидтер болып табылады. Осы рецептсіз сатылатын дәрі-дәрмектердің көпшілігі қан буферлері сияқты жұмыс істейді, әдетте сутегін сіңіруге және рН деңгейін қалыпқа келтіруге қабілетті кем дегенде бір ионмен тамақтанғаннан кейін «жүрек күйдіріп» ауыратындарды жеңілдетеді. Судың басқа да сипаттамалары сияқты рН теңестіру қабілетіне ықпал ететін судың бірегей қасиеттері жердегі тіршілікті қолдау үшін өте маңызды.

Қысқаша мазмұны: Буферлер

рН шкаласы қышқылдық/сілтілілік өлшемі болып табылады және заттардың су ерітінділерінде қалай әрекет ететіні туралы ақпарат береді. Барлық тірі процестер идеалды рН диапазонында жүреді. Буферлер сутегі иондарының шығарылуына немесе сіңірілуіне негізделген рН-ны белгілі бір диапазонда ұстау үшін бірге әрекет етеді.


4.5: Буферлер – Биология

рН шкаласы 0-ден 14-ке дейін ауытқиды. Ерітіндінің рН мәні оның қышқылдығының немесе сілтінің (негіз) өлшемі болып табылады. Сіз ерітіндіде қанша қышқыл немесе негіз (сілтілік) бар екенін тексеру үшін рН көрсеткіші ретінде пайдалануға болатын табиғи суда еритін бояумен өңделген қағазды, лакмус қағазын пайдаланған шығарсыз. Сіз тіпті ашық бассейндегі судың дұрыс өңделгеніне көз жеткізу үшін қолданған боларсыз.

Сурет 1. рН шкаласы заттағы сутегі иондарының (H + ) мөлшерін өлшейді. (Несие: Эдвард Стивенстің жұмысын өзгерту)

Бұл рН сынағы берілген ерітіндіде бар сутегі иондарының мөлшерін өлшейді. Сутегі иондарының жоғары концентрациясы төмен рН (қышқылдық заттар) береді, ал сутегі иондарының төмен деңгейі жоғары рН (негізгі заттар) береді. Сутегі иондарының жалпы концентрациясы оның рН-ға кері байланысты және оны рН шкаласы бойынша өлшеуге болады (1-сурет). Сондықтан сутегі иондары неғұрлым көп болса, соғұрлым рН керісінше төмен, сутегі иондары аз болса, рН соғұрлым жоғары болады. рН шкаласы бойынша бір бірліктің өзгеруі сутегі иондарының концентрациясының 10 есе, екі бірлікке өзгеруі сутегі иондарының концентрациясының 100 есе өзгеруін білдіреді. Осылайша, рН аздаған өзгерістер сутегі иондарының концентрациясының үлкен өзгерістерін көрсетеді. Таза су бейтарап. Ол қышқыл да, негіз де емес, рН 7,0. 7,0-ден төмен кез келген нәрсе (0,0-ден 6,9-ға дейін) қышқыл, ал 7,0-ден жоғары (7,1-ден 14,0-ге дейін) сілтілі. Веналарыңыздағы қан аздап сілтілі (рН = 7,4). Асқазаныңыздағы орта өте қышқыл (рН = 1-ден 2-ге дейін). Апельсин шырыны аздап қышқыл (рН = шамамен 3,5), ал ас содасы негізгі (рН = 9,0).

Қышқылдар - сутегі иондарын (H + ) және төмен рН қамтамасыз ететін заттар, ал негіздер гидроксид иондарын (OH - ) қамтамасыз етеді және рН көтереді. Қышқыл неғұрлым күшті болса, соғұрлым ол H+ береді. Мысалы, тұз қышқылы мен лимон шырыны өте қышқыл және суға қосқанда H+-дан оңай бас тартады. Керісінше, негіздер - бұл OH – ны оңай беретін заттар. OH – иондары Н+-мен қосылып, заттың рН деңгейін жоғарылататын су түзеді. Натрий гидроксиді және көптеген тұрмыстық тазартқыштар өте сілтілі және OH-ны суға салғанда тез жоғалтады, осылайша рН жоғарылайды.


Мазмұны

Буферлік ерітінділер әлсіз HA қышқылы мен оның конъюгаттық негізі A - арасындағы тепе-теңдікке байланысты рН өзгеруіне қарсы тұрады:

Әлсіз қышқыл мен оның конъюгаттық негізінің тепе-теңдік қоспасына біраз күшті қышқылды қосқанда, сутегі иондары (H + ) қосылады және Ле Шателье принципіне сәйкес тепе-теңдік солға ығысады. Осыған байланысты сутегі ионының концентрациясы қосылған күшті қышқылдың мөлшері үшін күтілетін мөлшерден азырақ артады. Сол сияқты, егер қоспаға күшті сілті қосылса, сутегі ионының концентрациясы қосылған сілтінің мөлшері үшін күтілетін мөлшерден азырақ төмендейді. Әсер әлсіз қышқылды р-мен модельдеу титрлеуімен суреттелгенҚа = 4.7. Диссоциацияланбаған қышқылдың салыстырмалы концентрациясы көк түспен, ал оның конъюгаттық негізі қызыл түспен көрсетілген. Буферлік аймақта рН салыстырмалы түрде баяу өзгереді, pH = pҚа ± 1, ортасы рН = 4,7, мұнда [HA] = [A - ]. Сутегі ионының концентрациясы күтілетін мөлшерден аз төмендейді, өйткені қосылған гидроксид ионының көп бөлігі реакцияда жұмсалады.

және бейтараптандыру реакциясында аз ғана жұмсалады (бұл рН жоғарылауына әкелетін реакция)

Қышқыл 95%-дан астам протонацияланғанда, рН тез көтеріледі, себебі қосылған сілтінің көп бөлігі бейтараптандыру реакциясында жұмсалады.

Буфер сыйымдылығы Өңдеу

Буферлік сыйымдылық – қышқыл немесе сілті концентрациясының өзгеруіне қатысты буферлеуші ​​заты бар ерітіндінің рН өзгеруіне төзімділіктің сандық өлшемі. Оны келесідей анықтауға болады: [1] [2]

Кез келген анықтамамен диссоциация константасы бар әлсіз қышқыл HA үшін буферлік сыйымдылық Қа [3] [4] [2] түрінде көрсетуге болады.

мұндағы [H + ] - сутегі иондарының концентрациясы, ал T HA >> – қосылған қышқылдың жалпы концентрациясы. Қw судың өздігінен иондануының тепе-теңдік константасы, 1,0 × 10 −14 тең. Н + ерітіндісінде гидроний ионы Н ретінде болатынын ескеріңіз3O + , ал гидроний ионының одан әрі сулануы өте жоғары қышқыл концентрациясын қоспағанда, диссоциация тепе-теңдігіне елеусіз әсер етеді.

Бұл теңдеу буферлік сыйымдылықтың жоғарылаған үш аймағы бар екенін көрсетеді (суретті қараңыз).

  • Қисықтың орталық аймағында (сюжеттегі жасыл түсті) екінші мүше басым, және
  • Қатты қышқыл ерітінділерде рН шамамен 2-ден төмен (сызбада қызыл түсті) теңдеудегі бірінші мүше басым болады және рН төмендеуімен буферлік сыйымдылық экспоненциалды түрде артады:
  • Күшті сілтілі ерітінділерде рН шамамен 12-ден жоғары (сызбада көк түсті), теңдеудегі үшінші мүше басым болады және рН жоғарылағанда буферлік сыйымдылық экспоненциалды түрде артады:

Құрамында буферлік агенті бар ерітіндінің рН мәні ерітіндіде басқа не болуы мүмкін екеніне қарамастан, тек тар диапазонда өзгеруі мүмкін. Биологиялық жүйелерде бұл ферменттердің дұрыс жұмыс істеуінің маңызды шарты болып табылады. Мысалы, адам қанында көмір қышқылының қоспасы (H
2 CO
3 ) және бикарбонат (HCO −
3 ) плазма фракциясында бар, бұл қанның рН деңгейін 7,35 пен 7,45 арасында ұстап тұрудың негізгі механизмін құрайды. Осы тар диапазоннан тыс (7,40 ± 0,05 рН бірлігі) ацидоз және алкалоз метаболикалық жағдайлары тез дамып, дұрыс буферлеу қабілеті тез қалпына келтірілмесе, ақырында өлімге әкеледі.

Егер ерітіндінің рН мәні тым жоғары немесе төмендесе, ферменттің тиімділігі әдетте қайтымсыз денатурация деп аталатын процесте төмендейді. [5] Зерттеуде қолданылатын биологиялық үлгілердің көпшілігі буферлік ерітіндіде, көбінесе рН 7,4 кезінде фосфатты буферлік тұзды ерітіндіде (PBS) сақталады.

Өнеркәсіпте буферлік агенттер ашыту процестерінде және маталарды бояуда қолданылатын бояғыштардың дұрыс шарттарын орнатуда қолданылады. Олар сонымен қатар химиялық талдауда [4] және рН өлшегіштерді калибрлеуде қолданылады.

Қарапайым буферлеу агенттері Өңдеу

Буферлеуші ​​агент бҚа Пайдалы рН диапазоны
Лимон қышқылы 3.13, 4.76, 6.40 2.1–7.4
Сірке қышқылы 4.8 3.8–5.8
К.Х2PO4 7.2 6.2–8.2
ШАХМАТ 9.3 8.3–10.3
Борат 9.24 8.25–10.25

Қышқыл аймақтардағы буферлер үшін рН-ны белгілі бір буферлеуші ​​агентке тұз қышқылы сияқты күшті қышқылды қосу арқылы қажетті мәнге реттеуге болады. Сілтілік буферлер үшін натрий гидроксиді сияқты күшті негізді қосуға болады. Немесе буферлік қоспаны қышқыл мен оның конъюгаттық негізінің қоспасынан жасауға болады. Мысалы, ацетатты буферді сірке қышқылы мен натрий ацетаты қоспасынан жасауға болады. Сол сияқты сілтілі буферді негіз бен оның конъюгат қышқылының қоспасынан жасауға болады.

«Әмбебап» буферлік қоспалар Өңдеу

Заттарды р-мен біріктіру арқылыҚа мәндер екі немесе одан аз айырмашылығы бар және рН реттей отырып, буферлердің кең ауқымын алуға болады. Лимон қышқылы буферлік қоспаның пайдалы құрамдас бөлігі болып табылады, себебі ол үш рҚа екіден аз бөлінген мәндер. Буфер ауқымын басқа буферлеу агенттерін қосу арқылы кеңейтуге болады. Келесі қоспалардың (МакИлвейн буферлік ерітінділері) рН 3-тен 8-ге дейінгі буферлік ауқымы бар. [6]

0,2 М Na2HPO4 (мл) 0,1 М лимон қышқылы (мл) рН
20.55 79.45 3.0
38.55 61.45 4.0
51.50 48.50 5.0
63.15 36.85 6.0
82.35 17.65 7.0
97.25 2.75 8.0

Құрамында лимон қышқылы, монокалий фосфаты, бор қышқылы және диэтил барбитур қышқылы бар қоспаны рН 2,6-дан 12-ге дейінгі диапазонды жабу үшін жасауға болады. [7]

Басқа әмбебап буферлерге 1931 жылы жасалған Кармоди буфері [8] және Бриттон-Робинсон буфері жатады.

Биологияда қолданылатын жалпы буферлік қосылыстар Өңдеу

Тиімді ауқымды жоғарыдағы Буфер сыйымдылығы бөлімінен қараңыз.

Жалпы атауы (химиялық атауы) Құрылым бҚа,
25 °C
Темп. әсер,
dpH/dТ (K −1 ) [9]
Мол.
салмақ
ТАПС,
([трис(гидроксиметил)метиламино]пропансульфон қышқылы)
8.43 −0.018 243.3
Бицин,
(2-(бис(2-гидроксиэтил)амин)сірке қышқылы)
8.35 −0.018 163.2
Трис,
(трис(гидроксиметил)аминометан, немесе
2-амино-2-(гидроксиметил)пропан-1,3-диол)
8.07 [a] −0.028 121.14
Трицин,
(N-[трис(гидроксиметил)метил]глицин)
8.05 −0.021 179.2
TAPSO,
(3-[N-трис(гидроксиметил)метиламино]-2-гидроксипропансульфон қышқылы)
7.635 259.3
HEPES,
(4-(2-гидроксиэтил)-1-пиперазинетансульфон қышқылы)
7.48 −0.014 238.3
TES,
(2-[[1,3-дигидрокси-2-(гидроксиметил)пропан-2-ил]амин]этансульфон қышқылы)
7.40 −0.020 229.20
МОП,
(3-(N-морфолино)пропансульфон қышқылы)
7.20 −0.015 209.3
Құбырлар,
(пиперазин-N,N'-bis(2-этансульфон қышқылы))
6.76 −0.008 302.4
какодилат,
(диметиларсен қышқылы)
6.27 138.0
БҒМ,
(2-(N-морфолино)этансульфон қышқылы)
6.15 −0.011 195.2

Монопротикалық қышқылдар Өңдеу

Алдымен тепе-теңдік өрнекті жазыңыз

Бұл қышқыл диссоциацияланған кезде сутегі ионы мен анионның бірдей мөлшерде түзілетінін көрсетеді. Осы үш компоненттің тепе-теңдік концентрациясын ICE кестесінде есептеуге болады («бастапқы, өзгеріс, тепе-теңдік» дегенді білдіреді ICE).

Монопротикалық қышқылға арналған ICE кестесі
[HA] [A - ] [H +]
I C0 0 ж
C x x x
Е C0x x x + ж

Белгіленген бірінші жол I, бастапқы шарттарды келтіреді: қышқылдың концентрациясы C0, бастапқыда диссоциацияланбаған, сондықтан A - және H + концентрациясы нөлге тең болады ж бастапқы концентрациясы болып табылады қосылды күшті қышқыл, мысалы, тұз қышқылы. Егер натрий гидроксиді сияқты күшті сілті қосылса, онда ж теріс таңбаға ие болады, өйткені сілті ерітіндіден сутегі иондарын жояды. Екінші қатар, белгіленген C «өзгерту» үшін қышқыл диссоциацияланған кезде болатын өзгерістерді көрсетеді. Қышқылдың концентрациясы − мөлшеріне төмендейдіx, және A - және H + концентрациясы екеуі де + шамасына артадыx. Бұл тепе-теңдік өрнектен шығады. Үшінші қатар, белгіленген Е "тепе-теңдік" үшін алғашқы екі жолды қосады және тепе-теңдіктегі концентрацияларды көрсетеді.

Табу x, концентрациялар бойынша тепе-теңдік константасының формуласын қолданыңыз:

Концентрацияларды ICE кестесінің соңғы жолындағы мәндермен ауыстырыңыз:

Арнайы мәндері бар C0, Қа және ж, бұл теңдеуді шешуге болады x. pH = −log деп есептесек10[H + ], рН pH = −log ретінде есептеуге болады10(x + ж).

Полипротикалық қышқылдар Өңдеу

Полипротикалық қышқылдар - бір протоннан артық жоғалтуы мүмкін қышқылдар. Бірінші протонның диссоциациялану тұрақтысын былай белгілеуге болады Қa1, және дәйекті протондардың диссоциациялану тұрақтылары сияқты Қa2, т.б. Лимон қышқылы полипротикалық қышқыл H үлгісі болып табылады3А, өйткені ол үш протонды жоғалтуы мүмкін.

Қадамдық диссоциация константалары
Тепе -теңдік Лимон қышқылы
Х3А ⇌ Х2A − + H + бҚa1 = 3.13
Х2A − ⇌ HA 2− + H + бҚa2 = 4.76
HA 2− ⇌ A 3− + H + бҚa3 = 6.40

Қашан дәйекті б арасындағы айырмашылықҚа мәндер шамамен 3-тен аз болса, түрдің тепе-теңдікте болуының рН диапазоны арасында сәйкестік бар. Айырмашылық неғұрлым аз болса, соғұрлым қабаттасады. Лимон қышқылы жағдайында қабаттасу кең және лимон қышқылының ерітінділері рН 2,5-тен 7,5-ке дейінгі барлық диапазонда буферленеді.

Полипротикалық қышқылмен рН есептеу спецификалық есептеуді қажет етеді. Лимон қышқылы жағдайында бұл массалық баланстың екі теңдеуін шешуді талап етеді:

CА қышқылдың аналитикалық концентрациясы, CХ қосылған сутегі иондарының аналитикалық концентрациясы, βq жиынтық ассоциация тұрақтылары болып табылады. Қw судың өздігінен иондану константасы болып табылады. Екі белгісіз шамада [A 3− ] және [H + ] бір мезгілде екі сызықты емес теңдеу бар. Бұл есептеуді орындау үшін көптеген компьютерлік бағдарламалар бар. Лимон қышқылының спецификалық диаграммасы HySS бағдарламасымен жасалды. [10]

Н.Б. Жиынтық, жалпы константалардың нөмірленуі сатылы, диссоциация константаларының нөмірленуіне кері болады.

Кумулятивтік ассоциация тұрақтысы (β) мәндері арасындағы байланыс
және үш негізді қышқыл үшін сатылы диссоциация константасы (K) мәндері.

Тепе -теңдік Қарым-қатынас
A 3− + H + ⇌ AH 2+ Журнал β1= пкa3
A 3− + 2H + ⇌ AH2 + Журнал β2 =pka2 + пкa3
A 3− + 3H + ⇌ AH3 Журнал β3 = пкa1 + пкa2 + пкa3

Кумулятивтік ассоциация константалары жоғарыдағы спецификация диаграммасын алу үшін пайдаланылатын сияқты жалпы мақсаттағы компьютерлік бағдарламаларда қолданылады.