Biochemia
opracowanie zagadnień egzaminacyjnych
1. Rozmieszczenie wody w organizmie:
Ciało dorosłego człowieka o normalnej budowie zawierać może przeciętnie 40 – 45 l. wody. Rozkład jej w ustroju nie jest równomierny, gdyż w niektórych tkankach zbiera się w większym stopniu niż w innych, ale wszystkie one zawierają wodę. Niewątpliwie woda nie jest magazynowana w żadnym stałym miejscu , ale jest natychmiast wykorzystywana z mniejszą lub większą skutecznością do różnych celów. Woda stanowi podstawowa część krwi i limfy ; jest rozpuszczalnikiem różnych substancji i środowiskiem dla wszystkich reakcji chemicznych . Jest ona nieodzowna w procesie trawienia , ponieważ przy rozszczepianiu białek , węglowodanów i tłuszczów, na każda parę cząsteczek cukru prostego albo aminokwasów zużywana jest cząsteczka wody, a przy rozszczepianiu tłuszczów 3 cząsteczki wody na każda cząsteczkę tłuszczu.
Woda w organizmie występuje w postaci niezwiązanej jako tak zwana wolna woda oraz związanej z różnego rodzaju wodochłonnymi koloidami
§ woda jako płyn pozakomórkowy ( między komórkowy, osocze stanowi 5 % )
§ woda jako płyn wewnątrz komórkowy ( stanowi 50 % masy ciała )
Woda w organizmie człowieka odgrywa bardzo ważną rolę, woda w każdym okresie rozwoju zajmuje ponad połowę masy ciała osobnika. I tak na przykład u noworodka woda stanowi 77% masy ciała, u 3 miesięcznego płodu 94%, przy czym zaczyna wzrastać tak do starości, u ludzi starych zawartość wody spada poniżej 60%. Jej niedobór może mieć poważne konsekwencje w naszym organizmie.
Istotna role odgrywa tutaj rozmieszczenie wody, szczególnie proporcje pomiędzy wodą , która jest zawarta w przestrzeni pozakomórkowej (krew, limfa, płyn mózgowo – rdzeniowy) i przestrzeni śródkomórkowej. Wchłanianie i wydalanie wody u małych dzieci jest o wiele szybsze niż u dorosłych. Dlatego też małe dzieci ciężko znoszą niedobór wody w ustroju.
Ilość pobieranej wody na dobę rośnie wraz z wiekiem:
1 – 4 lat wynosi 800- 950 ml.
5 – 10 lat wynosi 1200- 1350 ml.
Koło 14 lat wynosi 1500 ml.
Jednak ilość wraz ze starzeniem się maleje.
2. Regulacja bilansu wodnego:
Woda spełnia wiele ważnych biologicznie i fizjologicznie funkcji. Stanowi środowisko dla procesów życiowych przebiegających w organizmie oraz jest materiałem budulcowym, gdyż stanowi strukturalną część wszystkich komórek i tkanek. Woda jest potrzebna do prawidłowego przebiegu procesu trawienia. Umożliwia formowanie kęsów pożywienia w jamie ustnej, przesuwanie treści pokarmowej w przewodzie pokarmowym, właściwe działanie enzymów trawiennych. Do funkcji, jakie pełni woda w organizmie należy również udział w procesie regulacji temperatury ciała.
Dodatni bilans wody w organizmie występuje tylko w okresie wzrostu i w czasie ciąży. Znaczna część, około 2100 ml, pobierana jest z całodzienną dietą w postaci napojów lub wraz ze spożywanymi produktami i potrawami. Ponad 200 ml wody syntezowane jest w organizmie każdego dnia jako rezultat utleniania węglowodanów. Łącznie stanowi to 2300 ml. Dane przedstawiające przykładowy bilans wody w organizmie (u młodego, dorosłego mężczyzny, prowadzącego siedzący tryb życia, spożywającego dziennie 2110 kcal) ilustruje poniższa tabela.
Centralną rolę w regulacji bilansu wodnego odgrywa ośrodek pragnienia w mózgu oraz dwa powiązane z nim funkcjonalnie i strukturalnie ośrodki na podwzgórzu. Istotne znaczenie posiada tu hormon wazopresyna. Mechanizm regulacji bilansu wodnego w organizmie jest na tyle precyzyjny, że całkowita zawartość wody u zdrowego mężczyzny o masie ciała 70 kg, regulowana przede wszystkim przez ośrodek pragnienia, waha się w granicach 500 ml. Należy również podkreślić, iż w przypadku młodego mężczyzny niezbędne jest wydalenie nie mniej niż 500-600 ml moczu w ciągu doby, aby usunąć z organizmu wszystkie produkty przemiany materii, m.in. mocznik i kwas moczowy.
3. Osmoreceptory:
Osmoreceptory – to receptory wrażliwe na zmianę ciśnienia osmotycznego w organizmie, które znajdują się w podwzgórzu mózgu. Wzrost ciśnienia osmotycznego w płynach ustrojowych (głównie we krwi) powoduje pobudzenie osmoreceptorów, w wyniku czego następuje wyzwolenie uczucia pragnienia oraz wzmożone wydzielanie hormonu wazopresyny, który przyczynia się do zwiększonego wchłaniania zwrotnego wody w kanalikach nerkowych, zapobiegając nadmiernemu jej wydalaniu z moczem.
4. Hormony biorące udział w regulacji bilansu wodno – elektrolitowego organizmu:
Homeostaza, czyli utrzymanie składu środowiska wewnętrznego, jest istotna dla zdrowia, zapewnia rozdział wody w organizmie i utrzymanie właściwego pH i stężenia elektrolitów. Regulacja równowagi wodnej jest złożona i zależy przede wszystkim od podwzgórza, kontrolującego pragnienie, hormonu antydiuretycznego (ADH) i czynności nerek. Wazopresyna, której nazwa wywodzi się stąd, że hormon ten podawany w dawkach farmakologicznych podnosi ciśnienie tętnicze, określana jest również jako hormon antydiuretyczny (ADH). Ta ostatnia nazwa jest bardziej właściwa, ponieważ główne działanie fizjologiczne tego hormonu polega na pobudzaniu resorpcji wody w dystalnych kanalikach nerkowych. ADH jest syntetyzowana głównie w jądrach nadwzrokowych. Hormon ten transportowany jest aksonami wraz ze swoistymi białkami nośnikowymi, zwanymi neurofizynami. Regulacja sekrecji. Bodźce nerwowe, stymulujące uwalnianie ADH, ulegają aktywacji przez wiele różnorodnych czynników. Najważniejszym bodźcem fizjologicznym dla uwalniania ADH jest wzrost molalności osocza. W uwalnianiu ADH biorą udział osmoreceptory umiejscowione w podwzgórzu oraz baroreceptory, zlokalizowane w sercu w innych obszarach układu naczyniowego. Rozcieńczenie krwi, obniżając molalność osocza, wywiera odwrotny (hamujący) wpływ na wydzielanie ADH.
5. Wazopresyna, aldosteron, peptydy natriuretyczne:
Hormon antydiuretyczny ADH (wazopresyna) jest cyklicznym nonapeptydem o masie cząsteczkowej 1084 Da. Hormon ten wytwarzany jest przez podwzgórze w postaci preprowazopresynoneurofizyny i wydzielany w ostatecznej postaci przez tylny płat przysadki mózgowej. Powoduje zagęszczanie moczu poprzez resorpcję wody i jonów sodu w kanalikach nerkowych poprzez pobudzanie receptorów V2. Oddziałuje również na naczynia krwionośne powodując ich skurcz dzięki obecnym w ścianie naczyń receptorom V1. Wydzielanie wazopresyny jest pobudzane przez wzrost ciśnienia osmotycznego osocza krwi i płynu mózgowo-rdzeniowego, hipowolemię lub angiotensynę II. Spadek osmolarności osocza lub hiperwolemia hamują jej wydzielanie. Niedobór hormonu antydiuretycznego (wazopresyny) lub brak jego działania powoduje moczówkę prostą. Jeśli dotyczy ona zaburzenia wydzielania na poziomie podwzgórza lub przysadki jest to moczówka prosta ośrodkowa. Jeżeli występuje niewrażliwość cewek nerkowych na działanie hormonu antydiuretycznego – jest to moczówka prosta nerkowa. Nadmiar wazopresyny wywołuje Zespół Schwarza – Barttera.
Aldosteron należy do hormonów sterydowych wytwarzanych przez warstwę kłębkowatą kory nadnerczy. Aldosteron należy do grupy hormonów kory nadnerczy określanych jako mineralokortykoidy (Aldosteron i 11-dezoksykortykosteron).
Regulują one gospodarkę wodno-mineralną ustroju, w ramach tzw. układu RAA. Razem z 11-dezoksykortykosteronem działa on na nabłonki kanalików nerkowych, wzmagając resorpcję zwrotną soli sodowych, hamują ich wydalanie do moczu sodu w postaci chlorku sodu. Wraz z NaCl w ustroju zatrzymana jest woda oraz występuje obniżenie się ilości potasu w płynach ustrojowych.
Aldosteron i słabiej od niego działający 11- dezoksykortykosteron ma istotny wpływ na mineralny skład moczu. Zwiększa on wchłanianie zwrotne sodu w kanalikach dystalnych oraz jego wymianę na jon potasu i jon wodorowy. Skutkiem tego rośnie ilość sodu we krwi i w tkankach, spada zaś jego wydalanie w moczu. Wzrost stężenia sodu w organizmie wywołuje wzrost ciśnienia osmotycznego płynów ustrojowych, zwiększa się więc wydzielanie wazopresyny, która hamuje diurezę i wydalanie wody, aż do ustalenia się normalnych stosunków osmotycznych.
Istnieje wzajemne ścisłe powiązanie między aldosteronem i wazopresyną. Na wydzielanie jednego i drugiego wpływa zmiana objętości krwi krążącej. Na regulację wydzielania aldosteronu ma duży wpływ angiotensyna, oktapeptyd o bardzo silnym działaniu zwężającym naczynia krwionośne. Dzięki temu mimo że wywołuje wzrosty ciśnienia tętniczego, zmniejsza przepływ krwi przez nerki, to działanie powoduje w konsekwencji zmniejszenie przesączania kłębuszkowego i zmniejszenie ilości wydalanego moczu. Wywiera ona wpływ na procesy transportowe w nerkach a w konsekwencji wydzielanie aldosteronu w korze nadnerczy.
Peptydy natriuretyczne są oligopeptydowymi neurohormonami uczestniczącymi w regulacji gospodarki wodno-sodowej i utrzymaniu homeostazy układu sercowo-naczyniowego. Powodują zwiększenie filtracji kłębuszkowej i zmniejszenie resorpcji zwrotnej sodu w nerce oraz hamują wydzielanie reniny i aldosteronu. Ponadto hamują aktywność współczulnego układu nerwowego i bezpośrednio rozszerzają naczynia krwionośne.
6. Skład elektrolitowy płynu środ – i pozakomórkowego:
Płyn wewnątrzkomórkowy (śródkomórkowy) (ICF – intracellular fluid) obejmuje 2/3 całkowitej ilości wody. Stanowi środowisko dla wytwarzania, magazynowania i wykorzystania energii, procesów samonaprawczych, replikacji i wykonywania określonych funkcji komórki.
Płyn zewnątrzkomórkowy (pozakomórkowy) (ECF – extracellular fluid) zawiera 1/3 wody ustrojowej. Rozdzielony jest między osocze krwi i płyn śródmiąższowy. Ten płyn jest układem dostawczym. Tą drogą dostarczane są do komórek składniki odżywcze (np. glukoza, kwasy tłuszczowe, aminokwasy, tlen, jony, hormony). Płyn pozakomórkowy usuwa dwutlenek węgla, substancje odpadowe, składniki toksyczne ze środowiska komórek.
Różnica w składzie jonowym obu płynów jest bardzo znaczna. Środowisko wewnętrzne komórki jest bogate w kationy K+ i Mg+2 a podstawowym anionem jest anion fosforanowy. Jest tutaj także kilkadziesiąt razy więcej białka i znacznie mniej glukozy. Płyn pozakomórkowy charakteryzuje się dużą zawartością kationów Na+ i Ca+2 a podstawowym anionem jest Cl-. Stężenie glukozy jest tutaj znacznie większe a białka znacznie mniejsze. Żeby utrzymać tę różnicę komórki utworzyły bariery – błony z wbudowanymi w nie pompami.
7. Iloczyn jonowy wody. Pojęcie pH. Skala pH roztworów wodnych:
Dwie stałe (stała dysocjacji wody i stężenie molowe wody) w równaniu opisującym stan równowagi dysocjacji wody:
można zastąpić jedną:
[H+][OH-] = 1∙10-14
zwaną iloczynem wody. Zależność ta musi być spełniona w każdym roztworze wodnym: iloczyn stężeń jonów wody w temperaturze pokojowej wynosi 1∙10-14 . Wystarczy zatem podać stężenie jednego z jonów wody, aby można było obliczyć stężenie drugiego. Jeżeli stężenie jonów OH- wynosi na przykład 1∙10-9 mol/dm3 to stężenie jonów H+ oblicza się z równania:
W chemicznie czystej wodzie (odczyn obojętny) stężenia obu jonów są równe i wynoszą 1∙10-7 mol/dm3
Ilościowe określenie odczynu roztworu w formie stężenia jonów nie jest wygodnie z uwagi na rząd wielkości spotykanych liczb. Dlatego chemicy oprócz stężenia jonów używają do określenia odczynu umownych „stopni kwasowości”, zwanych pH roztworu (inaczej: wykładnikiem stężenia jonów wodorowych). Jeżeli stężenie molowe jonów wodorowych można przedstawić w postaci liczby 1∙10n (np. 1∙10-5), a taka dokładność często wystarczy, to pH = 5, a więc w tym przypadku pH jest wykładnikiem potęgowym (n) ze zmienionym znakiem.
Jeżeli stężenie molowe jonów H+ wynosi 1∙10-1 to pH wynosi 1, a odczyn będzie silnie kwaśny.
Jeżeli stężenie molowe jonów H+ wynosi 1∙10-7 to pH wynosi 7, a odczyn będzie obojętny.
Jeżeli stężenie molowe jonów H+ wynosi 1∙10-13 to pH wynosi 13, a odczyn będzie silnie zasadowy.
Funkcja pH ma tę właściwość, że jej wartość zmienia się stosunkowo nieznacznie przy dużych zmianach stężenia: dziesięciokrotna zmiana stężenia daje zmianę pH o jednostkę. Warto zwrócić uwagę, że im bardziej kwaśny roztwór, czyli im większe stężenie jonów H+, tym mniejsza wartość pH.
pH<7 pH>7
odczyn kwaśny odczyn zasadowy
pH = – log [H+] (definicja)
8. pH krwi:
W bardzo wąskich granicach utrzymuje się aktualna reakcja krwi, czyli jej odczyn lub oddziaływanie kwasowo – zasadowe. Mimo nieustannego powstawania w organizmie wartości kwaśnych i zasadowych oraz częstych okazji wnikania ich z zewnątrz, krew jest prawie obojętna, a właściwie lekko zasadowa, gdyż jej pH wynosi 7,4 z wahaniami od 7,3 do 7,5. Tak wyrażony odczyn w krwi żylnej ma pH 7,34, a tętniczej 7,36, gdy oddychanie wynosi 40mm Hg. Wahanie powyżej pH 7,8 i poniżej 6,8 są zupełnie niedopuszczalne, gdyż wtedy nie mogą już działać enzymy, denaturują się białka i ustaje wymiana gazów oddechowych.
9. Udział buforów, płuc i nerek w utrzymaniu równowagi kwasowo – zasadowej ustroju:
Bufory krwi, czyli związki chemiczne, które pozwalają utrzymać stałą wartość pH (wskaźnika kwasowości) tej tkanki. W warunkach fizjologicznych pH krwi utrzymuje się w granicach od 7.35 do 7.45. Taka precyzyjna regulacja pH krwi jest niezwykle ważna dla organizmu, bo nadmierne obniżenie albo podwyższenie pH prowadzi do zmiany kształtu cząsteczek białka, zmian aktywności enzymów, nieprawidłowego przenikania jonów przez błony białkowo-lipidowe... Spadek pH krwi poniżej 7.0 albo jego wzrost powyżej 7.8 prowadzi do śmierci.
Nasze ciało potrafi regulować pH krwi (i innych tkanek) na różne sposoby. W kontrolowaniu gospodarki kwasowo-zasadowej organizmu uczestniczą m.in. nerki (które przy obniżeniu pH wydalają nadmiar kationów wodorowych m.in. w postaci jonów amoniowych NH4+) i płuca (usuwanie dwutlenku węgla z wydychanym powietrzem ułatwia podwyższenie pH krwi). Istnieją różne choroby, które prowadzą do zaburzeń kwasowości płynów ustrojowych, na przykład nie leczona cukrzyca może doprowadzić do kwasicy (nadmiernego spadku pH), a zbyt częste i głębokie oddechy – tak zwana hiperwentylacja, którą spotyka się w chorobach psychicznych, na przykład w nerwicy – do zasadowicy. Te wszystkie zaburzenia można podzielić na cztery główne grupy w zależności od tego, czy ich przyczyną są zaburzenia procesów metabolicznych organizmu, czy też nieprawidłowe działanie układu oddechowego: kwasice metaboliczne, kwasice oddechowe, zasadowice metaboliczne i zasadowice oddechowe.
10. Rodzaje buforów i mechanizm ich działania. Bufor wodorowęglanowy i hemoglobinowy:
Roztwory buforowe służą do utrzymania stosunkowo stałego odczynu roztworów. Stosuje się je do wielu przemysłowych procesów, wymagających utrzymywania w miarę stałego pH – np. przy produkcji barwników, leków syntetycznych oraz w procesach fermentacyjnych, a także w poligrafii, przy druku w technice offsetowej. Wiele buforów jest też stosowanych do kontrolowania pH gotowych produktów spożywczych, kosmetyków i leków. Niektóre bufory (np. boranowy) są same stosowane jako substancje lecznicze – np. do przemywania poparzonej skóry lub oczu.
Do najważniejszych buforów należą:
· bufor octanowy: CH3COOH, CH3COONa w zakresie pH = 3,5 – 6
· bufor amonowy: NH3* H2O, NH4Cl w zakresie pH = 8 – 11
· bufor fosforanowy: KH2PO4, K2HPO4 w zakresie pH = 5,5 – 8
· bufor boranowy: H3BO3, Na2B4O7 w zakresie pH = 7 – 9
Bufory utrzymują ściśle określone pH ustroju wszystkich organizmów, którego zachwianie może spowodować śmierć organizmu. Bufory krwi człowieka utrzymują pH w granicach: 7.35 – 7.45.
W organizmach ludzkich znaczącą rolę pełnią bufory:
· białczanowy
· hemoglobinowy
· wodorowęglanowy
Mechanizm działania buforu najłatwiej jest prześledzić na przykładzie układu słabego kwasu i komplementarnej do niego soli. W tym przypadku głównym źródłem silnej zasady (A-) nie jest słabo dysocjujący kwas lecz mocno zdysocjowana sól (XA):
XA ↔ X+(aq) + A-(aq) (1)
Niezależnie od wyjściowych składników bufora, po ich rozpuszczeniu w wodzie i częściowej dysocjacji tworzy się równowaga słabego kwasu (HA) i sprzężonej z nim mocnej zasady (A-):
HA(aq) + H2O ↔ H3O+(aq) + A-(aq) (2)
która jest odpowiedzialna za odporność buforu na zmiany pH.
Ze względu na dużą ilość jonów A- dostarczanych w reakcji (1) przez sól, równowaga opisana równaniem (2) jest bardzo silnie przesunięta w stronę kwasu (HA). Można powiedzieć, że w tego rodzaju buforze niemal cała ilość jonów A- pochodzi z soli, zaś słaby kwas (HA) pozostaje w roztworze w formie prawie nie zdysocjowanej. Zadaniem soli jest więc w sumie blokowanie dysocjacji słabego kwasu.
W mom...
Baranica