220 likes | 334 Views
Hydrogenuhličitanový (bikarbonátový) ústojný systém krve. V plasmě je ústojný systém dvojice hydrogenuhličitan / kyselina uhličitá: H 2 CO 3 H + + HCO 3 - p K kys. uhličité při 37 o C je 3, 57 což je výrazně mimo optimální pH plasmy (7, 42)
E N D
Hydrogenuhličitanový (bikarbonátový) ústojný systém krve. • V plasmě je ústojný systém dvojice hydrogenuhličitan / kyselina uhličitá: • H2CO3 H+ + HCO3- • pKkys. uhličité při 37oC je 3, 57 což je výrazně mimo optimální pH plasmy (7, 42) • Koncentrace H2CO3 je nepatrnou frakcí vzhledem ke koncentraci HCO3- . Při koncentraci HCO3- 24 mM, je koncentrace H2CO3 pouze 3, 55 mM. • Jak může hydrogenuhličitanový ústojný systém optimálně fungovat ?
Kritická koncentrace H2CO3 je konstantní díky rovnováze s rozpuštěným CO2 (tvoří se v alveolách plic). Člověk vydechuje denně 1 kg CO2. Co kdyby to nebyl prchavý plyn ? • Existuje rovnováha mezi plynným CO2(g) a rozpuštěným ve tkáňových tekutinách – CO2 (d). • Hydratace CO2 je katalyzována karbonáthydratasou. Za podmínek „in vivo“ je rovnováha posunuta na stranu rozpuštěného CO2. Na každých 300 molekul CO2 je přítomna jedna molekula H2CO3. • Přesné vyjádření hotovosti H2CO3 jako součet: • [ CO2(d)] + [H2CO3]
Celkové rovnováhy hydrogenuhličitanového ústoje: • CO2 (d) + H2O H2CO3 • H2CO3 H+ + HCO3- • Ionizace H2CO3 za přítomnosti CO2 (d): • Kh = [H2CO3] / [CO2(d)] z toho: • [H2CO3] = Kh . [CO2 (d)], hodnotu vložíme do výrazu pro disociaci kys. uhličité: • Ka = [H+]. [HCO3- ]/ [H2CO3] = • [H+]. [HCO3- ]/ Kh . [CO2 (d)]. • Celková rovnovážná konstanta ionizace H2CO3 v rovnováze s CO2 (d) je dána: • Ka . Kh = [H+]. [HCO3- ]/ [CO2 (d)], konstanta označena Kcelková .
Hodnota Kh = 0, 003 při 37oC • Hodnota Ka = 0, 000269 • Ka . Kh = 0, 003 x 0, 000269 = 8, 07 x 10-7 • Z toho celkove pK, pKcelkové = 6, 1. • Dle rovnice Henderson – Hasselbach: • pH = pKcelkové + log10[HCO3- ]/ [CO2 (d)] • I když pH krve 7, 42 je o jednotku vyšší než pKcelkove , je hydrogenuhličitanový ústojný systém efektivní. • Plynný CO2(g) je ústoj, který stále doplňuje CO2 (d). Koncentrace CO2 (d) je udržována na konstantní hladině – nadbytečný CO2 je ihned vylučován plícemi. • OTEVŘENÝ SYSTÉM „ in vivo“!!!
Pro praktické účely je hydrogenuhličitanový ústoj uvažován jako dvojice HCO3- (konjugovaná báze) a CO2 (konjugovaná kyselina). • Příklad: • Krevní plasma obsahuje celkovou uhličitanovou hotovost (HCO3- + CO2) = 2, 52 x 10-2 M. • a) Jaký je poměr HCO3- / CO2 a koncentrace každé složky ústoje při pH = 7, 4 ? • b) Jaké by bylo pH, když je přidáno 10-2 M H+ za podmínek, kdy se nemůže zvýšená koncentrace CO2 uvolnit ? • c) Jaké by bylo pH, když přidáme 10-2 M H+ a nadbytek CO2 je uvolněn (na hladinu původní koncentrace CO2) ?
Řešení: • a) pH = pK + log10[HCO3- ]/ [CO2 (d)] • 7, 4 = 6, 1 + log10[HCO3- ]/ [CO2 (d)] • 1, 3 = log10[HCO3- ]/ [CO2 (d)] • [HCO3- ]/ [CO2 (d)] = 20 / 1 • [HCO3- ] = 20 / 21 x 2, 52 x 10-2 = 2, 4 x 10-2 M. • [CO2 (d)] = 1, 2 x 10-3 M. • b) V uzavřeném systému - přidáno 0, 01 M H+ : • [HCO3- ]celkové = 0, 024 – 0, 010 = 0, 014 M • [CO2 (d)]celkové = 0, 0012 + 0, 010 = 0, 0112 M • pH = 6, 1 + log( 0, 014 / 0, 0112 ) = 6, 1 + log 1, 25 = 6, 1 + 0, 097 = 6, 2 • Závěr: V uzavřeném systému má dvojice HCO3- / CO2 malou ústojnou kapacitu !!!
c) V otevřeném systému-přidáno 0, 01 M H+: 0, 024 M HCO3- + 0, 01 H+ + 0, 0012 M CO2 = 0, 014 M HCO3- + 0, 0112 CO2 0, 01 M CO2 se uvolní jako plyn. 0, 014 HCO3- + 0, 0012 M CO2 pH = 6, 1 + log 0, 014 / 0, 0012 = 6,1 + log 11, 667 = 7, 16 V otevřeném systému klesne pH jen o 0, 24 jednotky. Hladina HCO3- je neustále doplňována neboť CO2 vzniká v těle nepřetržitě jak produkt oxidačních procesů.
Úloha • Hodnota pH vzorku tepenné krve je 7, 42. Po okyselení 10 ml vzorku krve se vytvořilo 5, 91 ml CO2 (korigováno na standardní teplotu a tlak). • a) Vypočtěte celkovou koncentraci rozpuštěného CO2 v krvi [CO2 + HCO3-]. • b) Koncentraci rozpuštěného CO2 a HCO3-.
Hemoglobin (Hb) jako ústoj v krvi. • Odhlédneme-li, pro zjednodušení, od allosterického charakteru vazby kyslíku na hemoglobin (Hb), exisuje Hb ve dvou rovnováhách: • deoxyHb + O2 = oxyHb • Hb obsahuje mnoho ionizovatelných skupin, z nichž nejdůležitější je His, s pK kolem neutrality: • H Hb = H+ + Hb • Posun rovnováhy závisí na pH krve. Oba Hb mohou existovat v protonizované a neprotonizované formě. • V každém okamžiku existují čtyři formy Hb.
Hb v erythrocytech vstupuje do plic hlavně jako směs deoxyforem H Hb a Hb. • Jejich poměr se řídí dle pH a pKa deoxyhemoglobinu. • Za situace pH 7, 4 a pKa = 7, 7 jsou asi dvě třetiny deoxyhemoglobinu přítomny jako konjugovaná kyselina. • V plících přijímá Hb kyslík. H HbO2 je silnější kyselina než H Hb. Konformační změny v molekule po oxygenaci snižují pKa His v oblasti hemu na 6, 2. Výsledkem je uvolnění H+. Zvýšená koncentrace H+ posunuje rovnováhu H+ + HCO3- na pravou stranu (H2O + CO2) což vede k odstranění H+ a uvolnění CO2 do atmosféry. • OxyHb je transportován do tkání, kde je nízký parciální tlak O2 – uvolňuje se O2 a Hb. • Hb je silnější báze než oxyHb (odpovídá H HbO2 je silnější kyselina než H Hb). • H+ produkované při oxidaci potravy se váží na Hb za tvorby H Hb.
Zjednodušený model rovnováh kyslík / H+ Hb. • KO2 • byla arbitrálně stanovena rovna 1. Ostatní konstanty jsou disociační. • Konstanta pKamá hodnotu 7, 7 ačkoliv byly publikovány hodnoty od 7, 71 po 8, 18. • Konstanta pKa, má hodnotu 6, 2 ačkoliv byly publikovány hodnoty od 6, 17 po 6, 68.
Uvolňování a vazba kyslíku různými formami Hb a v různých místech
Bohrův efekt. • Rychle metabolizující tkáně, jako svalstvo, mají velké požadavky na kyslík a produkují velké množství H+ a CO2. Jak H+, tak CO2 jsou heterotropní efektory hemoglobinu zvyšující uvolňování kyslíku. Afinita hemoglobinu ke kyslíku klesá při vstupu hemoglobinu do oblastí s nižším pH. • Transport z plic (pH 7, 4), parciální tlak kyslíku 100 torrů do aktivního svalu s pH 7, 2 a parciálního tlaku kyslíku 20 torrů vede k uvolnění 77 % celkové přenášené kapacity. • Pokud by nedošlo k poklesu pH, tak by se uvolnilo pouze 66 %. • Ve tkáních, kde je vyšší koncentrace CO2 klesá afinita hemoglobinu ke kyslíku. • Za přítomnosti CO2 o parciálním tlaku 40 torrů se uvolní z hemoglobinu 90 % přenášeného kyslíku. • Vliv H+ a CO2 na regulaci vazby kyslíku na hemoglobin se nazývá Bohrův efekt. Podle Christiana Bohra, který jev popsal v roce 1904.
Snížení pH ze 7, 4 (červená) na 7, 2 (modrá) vede k uvolnění O2 z oxyhemoglobinu. Zvýšení parciálního tlaku z 0 na 40 Torrů (fialová) také vede k uvolnění O2 z oxyhemoglobinu. Vliv pH a koncentrace CO2 na afinitu kyslíku k hemoglobinu.
V deoxyhemoglobinu tvoří tři aminokyseliny dvě iontové vazby stabilizující T stav. Tvorba jedné z vazeb závisí na přítomnosti dalšího protonu na His b 146. To umožňuje vazbu na Asp 94. Chemický základ Bohrova efektu.
STEREOCHEMIE Trochu opomíjená
A. D. Mesecar, D. E. Koshland Jr. (2000) A new model for protein stereospecificity, Nature403, 614–615. • Tři substituenty tetrahedrálního uhlíku, např. a, b, a c, aktivního enantiomeru ( D izomer) isocitrátu se váží na stejné aminokyseliny na povrchu enzymu (můžeme označit jako A', B', a C') stejně jako tytéž a, b, a c substituenty L izomeru. Potom tedy tříbodový model nemůže být důvodem pro rozlišení při enzymové reakci. • Zjistili, že hlavní rozdíl je orientace čtvrtého substituentu d modelu Cabcd nebo C2OH substituentu isocitrátu. V případě L izomeru je substituent vázán na Arg 119, zatímco v případě D izomeru, je OH skupina vázána na Mg2+ iont, který je vázán v komplexu Asp-311, Asp-283, a Asp-307 v opačném směru. • Výsledkem je nový model Mesecara a Koshlanda - nazvaný čtyřbodový.