Hydrogenuhličitanový (bikarbonátový) ústojný systém krve.

• V plasmě je ústojný systém dvojice hydrogenuhličitan / kyselina uhličitá:

• H2CO3 H+ + HCO3-

• pK kys. 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 M.

• 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.

KO2 = 1

KO2 = O, O32

,

H Hb + O2 H Hb O2

Ka = 6, 3 x 10-7

pKa = 6, 2

Hb O2Hb + O2

Ka = 2x10-8

pKa = 7, 7

+H+

+H+ + HCO3

- H2O + CO2

Potrava

CO2 + H2ODoplnění HCO3

-

Zjednodušený model rovnováh kyslík / H+ Hb.

• KO2

• byla arbitrálně stanovena rovna 1. Ostatní konstanty jsou disociační.

• Konstanta pKa má 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

Deoxyformy Oxyformy

Plíce

Tkáně

Konjugované kyselé formy

Konjugované bázické formy

PlíceTkáně

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.

Vliv pH a koncentrace CO2 na afinitu kyslíku k hemoglobinu.

• 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.

Chemický základ Bohrova efektu.

• V deoxyhemoglobinu tvoří tři aminokyseliny dvě iontové vazby stabilizující T stav. Tvorba jedné z vazeb závisí na přítomnosti dalšího protonu na His 146. To umožňuje vazbu na Asp 94.

STEREOCHEMIE

Trochu opomíjená

CH2 COO

COOOH

CH2

COO

-

-

-

CH2

O

COO

CH2

COO-

-

CH2

CH

COO

COO

CH

COOOH

-

-

-ISOCITRÁT

*

*

*

*

*

-oxoglutarát

BUĎ ANEBO

OGSTENŮV TŘÍBODOVÝ MODEL

ČTYŘBODOVÝ MODEL dle Mesecara a Koshlanda

• A. D. Mesecar, D. E. Koshland Jr. (2000) A new model for protein stereospecificity, Nature 403, 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.