1. Voda i Acido-bazna Ramnoteza

БИОХЕМИЈА 1

Проф. д-р Татјана Рушковска

• Асс. Марија Атанасова

• Важат сите стандардни УГД принципи за присуство и оценување

• ЛЕНИНЏЕР – ПРИНЦИПИ НА БИОХЕМИЈАТА – Преведен учебник

• Првата глава од учебникот е повторување на основните поими од биологијата, хемијата и физиката.

ДА СЕ ПРОЧИТА И ДА СЕ ЗНААТ ОСНОВНИТЕ ПОИМИ! (стр. 1-40)

2

ДЕФИНИЦИЈА И ПОДЕЛБА НА БИОХЕМИЈАТА

3

БИОХЕМИЈАТА E ПРИРОДНА НАУКА КОЈАГО ПРОУЧУВА ХЕМИСКИОТ СОСТАВ НА ЖИВИТЕ ОРГАНИЗМИ, КАКО И ХЕМИСКИТЕ ПРОЦЕСИ КОИ СЕ ОДВИВААТ ВО НИВ.

TAA Е ХЕМИЈА НА ЖИВАТА МАТЕРИЈА, ОДНОСНО ХЕМИЈА НА ЖИВОТОТ.

БИОХЕМИЈАТА Е ЕКСПЕРИМЕНТАЛНА НАУКА.

4

Биохемијата може да се подели во две главни области:

1. Статичка (дескриптивна) биохемија, која ги проучува:

• Хемискиот состав на компонентите од кои е изградена живата материја и

• Врската помеѓу хемиската структура и биолошката функција.

2. Динамичка биохемија која ја проучува севкупноста на хемиските реакции кои се одвиваат во живите организми, односно го проучува метаболизмот.

5

Биохемијата може да се подели и на друг начин и тоа на:

1. Биохемија на растенијата2. Биохемија на животните3. Биохемија на микроорганизмите4. Компаративна биохемија, која се занимава со споредување на хемискиот состав и хемиските процеси кај различни видови организми

6

Биохемијата е наука која има интердисциплинарен карактер.Таа е тесно поврзана со повеќе сродни науки:

1. Органската хемија, која ги опишува својствата на биомолекулите2. Физичката хемија, која ги проучува физичко-хемиските закони за движење на материјата во природата3. Биофизиката, која користи физички техники за проучување на животните процеси4. Науката за нутриција, која ги опишува нутритивните потреби за одржување на здравјето

7

• Биохемијата претставува база на поголем број медицински дисциплини, во прв ред на физиологијата, патофизиологијата, интерната медицина, неврологијата, педијатријата и др.

• Покрај интердисциплинарниот карактер, биохемијата во исто време е и самостојна дисциплина, со сопствен идентитет. Нејзини најзначајни карактеристики се:– Ја истакнува структурата на биомолекулите и реакциите

кои тие ги вршат.– Ги објаснува метаболните процеси и нивната контрола.– Со примена на законите на хемијата ги чини разбирливи

процесите на животот.

8

• БАЗИЧНА БИОХЕМИЈА

• КЛИНИЧКА БИОХЕМИЈА

Според дефиницијата која е дадена од страна на Интернационалната федерација за клиничка хемија (IFCC – International Federation of Clinical Chemistry) клиничката хемија ги проучува хемиските аспекти кај здравите и болните лица со примена на хемиско-лабораториски методи, на кој начин се доаѓа до резултати од испитувањата кои се користат за превенција на заболувањата, дијагноза и контрола (мониторинг) на третманот на заболувањето.

9

И ако биохемијата како наука се дефинира како “хемија на животот”, клиничката биохемија слободно може да биде наречена “хемија на здравјето и болеста”.

Термините “клиничка биохемија”, “медицинска биохемија” и “клиничка хемија” се синоними.

10

ХЕМИСКИ СОСТАВ НА ЧОВЕКОВИОТ ОРГАНИЗАМ

• Со испитување на елементарниот составна човековиот организам констатирано е дека во него се среќаваат голем бројхемиски елементи кои процентуално различно се застапени.

• Според нивната процентуалназастапеност во организмот, хемискитеелементи се поделени во две групи:1. Макроелементи, чија концентрација воорганизмот изнесува 0,04% и повеќе и2. Микроелементи, чија концентрација воорганизмот изнесува под 0,04%.

12

Елемент % од телесна маса Просечно кај

човек од 70 kg

Макроелементи

Кислород63 44,1 kg

Јаглерод 20 17

Водород 10 7

Азот 3 2,1

Калциум 1 700 g

Фосфор 1 700

Калиум 0,25 175

Сулфур 0,2 140

Хлор 0,14 100

Натриум 0,14 100

Магнезиум 0,04 28

Микроелементи

Железо 0,005 4 g

Цинк 0,00125 1

Бакар 0,0002 150 mg

Јод 0,000036 25

Манган 0,00003 20

Молибден 0,00003 20

Кобалт 0,000015 10 13

• МИКРОЕЛЕМЕНТИ

– Есенциелни микроелементи• Потребни концентрации• Токсични концентрации• Железо, Бакар, Цинк, Хром, Манган, Флуор, Јод,

Стронциум, Молибден, Кобалт, Селен, Никел, Ванадиум

– Токсични микроелементи, во било која концентрација• Олово, Кадмиум, Жива

14

• Хемиските елементи во организмот претставуваат градбени единици на молекулите на многубројни неоргански и органски соединенија.

• Од неорганските соединенија се среќаваат: водата, минералните соли, како и траги од некои неоргански киселини (хлороводородна, јаглеродна).

• Од органските соединенија најзастапени се: протеините, липидите, јаглехидратите и нуклеинските киселини.

• Освен овие органски соединенија има и други кои, макар присутни во многу помали концентрации, се вонредно важни за човековиот организам (порфирини, витамини и др.).

15

Компонента % од телесна маса kg (кај возрасен маж

со маса од 70 kg)

Вода 60 42,0

Протеини 20 14,0

Липиди 15 10,5

Јаглехидрати 1 0,7

Нуклеински кис. 1 0,4

Минерални соли 3 2,1

16

ПРОЦЕНТУАЛНА ЗАСТАПЕНОСТ НА ОРГАНСКИТЕ И НЕОРГАНСКИТЕ МАТЕРИИ ВО ЧОВЕКОВИОТ ОРГАНИЗАМ

Орган, ткиво Вода (%) Протеини (%) Липиди (%) Минерални соли (%)

Кожа 58 27 14 0,6

Скелет 28 20 25 27,0

Мускули 70 22 6 1,0

Масно ткиво 23 6 71 0,2

Црн дроб 71 22 3 1,4

Мозок 75 11 12 1,4

17

ХЕМИСКИ СОСТАВ НА РАЗЛИЧНИ ОРГАНИ И ТКИВА

ВОДАТА ВО ЧОВЕКОВИОТ ОРГАНИЗАМ

ВОДА

Слаби интеракции во водни системи

• Водата е најраспространетата супстанца во живите организми.• Водата претставува универзален растворувач на органските и

неорганските материи во клетките и околу нив.Таа е во состојба да раствори најмногу супстанци, различни по својата хемиска природа, во однос на останатите растворувачи.

• Водата истовремено е и растворувач во кој се одвиваат метаболичките реакции и реактант во процесите на хидролиза, кондензација и оксидо-редукција.

• Водата има повисока температура на топење, температура на вриење и топлина на испарување од повеќето познати растворувачи. Овие единствени особености на водата се резултат на заемодејството на молекулите, што ѝ дава на водата голема внатрешна кохезија.

19

• Молекулата на водата (H2O) е изградена од два атоми водород и еден атом кислород, поврзани со ковалентни врски.

• Валенциите на кислородот образуваат агол од 104,5°(идеално 109,5°).

• Атомот на кислород ги привлекува кон себе електроните кои ги образуваат ковалентните врски со атомите на водород. Поради тоа кислородниот атом станува понегативен, а водородните атоми – попозитивни. На тој начин настанува асиметрија во електронската структура на молекулот на водата, односно настанува електричен дипол.

20

21

Водородните врски кај водата се јавуваат како резултат на електростатскотопривлекување помеѓу кислороден атом од една молекула вода и водороден атом од друга молекула вода.

Водородните врски се слаби врски.

Формирањето и раскинувањето на водородните врски кај водата во течна агрегатна состојба е динамичен процес („блеснување на кластерите“).

22

Водородни врски во мразот

Во мразот секоја молекула вода гради четири водородни врски – најголемиот можен број за една молекула вода во кристална решетка.

Во течна агрегатна состојба, на собна температура и атмосферски притисок, секоја молекула вода гради водородни врски со просечно 3,4 молекули вода.

Поради формирањето на овој тип кристална решетка, мразот има помала густина од течната вода и плива на нејзината површина.

23

Водородните врски не се карактеристични исклучиво само за водата.Тие лесно се градат помеѓу еден електронегативен атом (обично кислород или азот) и водороден атом врзан за друг електронегативен атом во истата или во друга молекула:

Водородните атоми кои се ковалентно сврзани за јаглеродни атоми не формираат водородни врски.

24

Водата е поларен растворувач.Таа лесно ги раствора повеќето биомолекули кои се наелектризирани или поларни.

25

26

Ентропијата (нередот) во системот се зголемува со растворањето на кристалните супстанци.

27

Растворливост на некои биолошки значајни гасови во вода

- Постојат протеини носачи за О2 (хемоглобин и миоглобин)- CO2 во воден раствор гради јаглеродна киселина

28

Кога едно амфипатично соединение се меша со вода, поларниот хидрофилен дел заемодејствува со водата и се стреми да се раствори.

Силите кои ги држат неполарните делови од молекулите заедно се наречени хидрофобни интеракции.Нивното формирање произлегува од особината на системот да постигне најголема термодинамичка стабилност со намалување на бројот на средените молекули вода потребни за опкружување на хидрофобните делови.

29

Слабите интеракции се од суштинско значење за структурата и функцијата на макромолекулите.

Збирниот ефект од многуте мали сврзувачки сили може да биде огромен.

Конкретни примери следуваат во следните поглавја.

Во протеинската структура се среќаваат и цврсто сврзани молекули вода.

Молекула на хемоглобин со цврсто сврзани молекули вода (црвени топки).

30

Сите типови растворени супстанци (раствореници) ги менуваат физичките особини на растворувачот вода (колигативни својства).Влијанието на раствореникот врз физичките својства на водата е резултат на тоа што во растворот концентрацијата на водата е пониска отколку во чистата вода.Ова влијание зависи само од бројот на растворени честички во дадено количество вода (не од нивната хемиска природа).Пример: воден раствор на сол / воден раствор на глукоза.

Водните молекули имаат склоност да преоѓаат од области со повисока концентрација кон области со пониска концентрација.

П = icRT

П е осмотски притисокR е гасна константаТ е апсолутна температураic е осмоларност на раствототс е моларна концентрацијаi e мерка на степенот на дисоцијација

31

Осмозата е важен фактор за живите клетки

Јонизација на водата, слаби киселини и слаби бази

32

Иако повеќето од особините на водата како растворувач можат да се објаснат со неутралната молекула вода, мора да се земе предвид малиот степен на јонизација на водата.

Чистата вода е слабо јонизирана. Водните молекули имаат својство да дисоцираат на H+ и OH- јони.Во суштина при дисоцијација на водата водородниот јон не останува слободен, туку се врзува за недисоцирана молекула вода, при што се формира хидрониум јон (H3O+).

33

Јонизацијата на водата може да се мери и карактеризира со нејзината електрична спроводливост.

Прескокнувањето на протоните при јонизацијата на водата е многу побрзо од вистинската дифузија и ја објаснува високата подвижност на Н+ јоните во однос на другите едновалентни катјони како што се Na+ и К+.

34

Јонизацијата на водата се изразува преку рамнотежната константа Keq:

На 25°С концентрацијата на чистата вода изнесува 55,5 mol/L.Концентрацијата на H+ и OH- јони е мала и може да се занемари.

Kw се означува како јонски производ на водата.Производот [H+] [OH-] во водни раствори на 25°С секогаш е еднаков на 10-14 М2.

Во неутрална средина:

ВНИМАВАЈ – рН е логаритамска скала!!!

ЈОНСКИОТ ПРОИЗВОД НА ВОДАТА Е КОНСТАНТЕН НА ОПРЕДЕЛЕНА ТЕМПЕРАТУРА.

35

Секоја киселина има склоност да оддава протон во водни раствори.Колку е посилна киселината, толку е поголема нејзината склоност за оддавање протон.Склоноста на било која киселина (НА) да оддава протон и да образува конјугирана база (А-) е определена со рамнотежната константа (Кeq) за повратната реакција:

Рамнотежнните константи за реакциите на јонизација се нарекуваат константи на дисоцијација на киселините (Ка).Посилните киселини имаат поголеми константи на дисоцијација.

Посилните киселини имаат помали вредности на рКа.

36

37

рКа на слабите киселини се определува од КРИВИТЕ НА ТИТРАЦИЈА.Поим за титрација.

Титрација на 0.1 М р-р на оцетна кис. со 0.1 М р-р на NaOH на 25°С.

Оцетната киселина е најсилна од прикажаните слаби киселини.

Јонски вид којшто преовладува

Слабите киселини и нивните анјони можат да играат улога на пуфери.

Пуферирање во биолошките системи

38

Значење на пуферирањето во биолошките системи.Пуферите се водни системи кои имаат својство да се спротивставуваат на промените на рН при додавање на мало количество киселина (Н+) или база (ОН-).Пуферскиот систем се состои од слаба киселина (протон донор) и нејзина конјугирана база (протон акцептор).На пример, смесата од еднакви концентрации оцетна киселина и ацетатен јон од средната точка на титрација на оцетната киселина е пуферски систем.

За овој пуферски систем областа на пуферирање изнесува од 3,76 до 5,76.

39

Хендерсон-Хаселбалховата равенка ги поврзува pH, pKa и концентрацијата на пуферот

Во средната точка на титрација концентрациите на протон донорот и протеин акцепторот се еднакви...

40

БИКАРБОНАТЕН ПУФЕР

Крвната плазма е пуферирана делумно од бикарбонатниот систем на јаглеродната киселина (H2CO3) како протон донор и бикарбонатот (HCO3

-) како протон акцептор.pH е околу 7,4.

pH на бикарбонатниот пуферски систем зависи од концентрциите на јаглеродната киселина (H2CO3) како протон донор и бикарбонатот (HCO3

-) како протон акцептор.

Рамнотежа на водата од организмот со надворешната средина

• Вкупното количество вода во човековиот организам зависи од дебелината, полот и возраста.

• Дебелите луѓе содржат процентуално помалку вода во однос на слабите.

• Женскиот организам содржи нешто помалку вода од машкиот поради повисоката процентуална застапеност на масното ткиво.

• Застапеноста на водата со возраста се намалува. Така, новороденчињата содржат најмногу вода, околу 75-80% од нивната телесна маса.

• Волуменот на телесната вода е многу константен параметар за здрави возрасни лица и во текот на денот не се менува за повеќе од 1% од телесната маса. Тоа се постигнува со врамнотеженото примање и исфрлање на водата.

41

• Организмот ја обезбедува водата од следните извори:

• Oд течностите и цврстата храна и• Со оксидација на органските материи во метаболичките

процеси, т.н. ендогена или метаболна вода.

• Преку пиење течности, просечно дневно се внесуваат од 1500 - 2000 mL вода, додека со цврстата храна од 350 - 400 mL.

• При согорување на протеините, мастите и јаглехидратите во организмот се ослободува извесно количество ендогена вода која се нарекува метаболна вода.100 g протеини ослободуваат 41 mL вода 100 g масти ослободуваат 107 mL вода 100 g јаглехидрати ослободуваат 57 mL вода

42

Водата од организмот се излачува преку:

а) Бубрезите, како уринаб) Цревата, како вода на фецесотв) Кожата, како видливо и невидливо потењег) Белите дробови, како водена пареа на издишаниот воздух

43

• Нормална дневна загуба на вода преку бубрезите изнесува 500 - 1600 mL, а преку дигестивниот тракт 80 - 150 mL.

• Минималното количество урина што е потребно да се исфрлат осмотски активните материи изнесува околу 450 mL дневно.

• Со незабележливо испарување, преку кожата и при дишењето, за 24 часа се губат околу 850 mL вода за човек со просечна тежина од 70 kg.

• При повраќање, проливи или силно потење може да се изгуби големо количество вода, што може да доведе до нарушување на водено-електролитната хомеостаза.

44

ЕЛЕКТРОЛИТИ

Електролити:наелектризирани честички со мала маса кои се присутни во интацелуларната и екстрацелуларната течност.

Според видот на електричниот полнеж електролитите се класифицирани во две групи:

- Катјони, кои се позитивно наелектризирани и- Анјони, кои се негативно наелектризирани.

45

• Најзначајни електролити во организмот се: Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Cl-, HCO3

-, H2PO4-, HPO4

2-, SO42-, како и

некои органски анјони како што е лактатот.

• Аминокиселините и протеините во воден раствор исто така носат електричен полнеж, но поради нивната хемиска природа тие вообичаено се разгледуваат одделно.

46

• Кај човекот, за одржување на водената хомеостаза, најзначајни се следните четири електролити:

– Натруим (Na+)

– Калиум (К+)

– Хлорид (Cl-)

– Бикарбонат (HCO3-)

• Освен улогата која ја имаат во одржување на водената хомеостаза, овие четири електролити имаат и други функции:

– Учествуваат во одржување на рН во организмот

– Обезбедуваат правилна функција на срцето и мускулите

47

• Натриумот претставува главен катјон на екстрацелуларната течност.

• Серумски концентрации: 135 – 145 mmol/L, не зависат од возраста.

• Храната генерално е сиромашна со натриум и затоаистиот се внесува како нејзин додаток во облик на NaCl(готварска сол). Се препорачува дневниот внес на готварска сол да биде под 5,8 g. Со стандардна исхрана во организмот се внесува значително поголемо количество NaCl (дури и до 15 gдневно), кој речиси целосно се апсорбира во гастроинтестиналниот тракт. Вишокот се екскретира преку бубрезите кои се најзначајни регулатори на количеството на Na+, a со тоа и на количеството на вода во организмот.

48

НАТРИУМ

КАЛИУМ

• Калиумот претставува главен катјон на интрацелуларната течност.

• Референтните вредности за калиум во серум кај возрасни се од 3,5 – 5,0 mmol/L, a за новороденчиња од 3,7 – 5,9 mmol/L.

• Калиумот е доволно застапен во храната, па при рационална исхрана не се очекува негов дефицит.

• Се апсорбира од страна на гастроинтестиналниот тракт, дел се користи од страна на клетките, а вишокот се екскретира преку бубрезите.

49

ХЛОРИД

• Хлоридот претставува најзастапен екстрацелуларен анјон.

• Серумски концентрации: 100 – 108 mmol/L. • Хлоридните анјони примени со храната речиси

целосно се апсорбираат во гастроинтестиналниот тракт.

• Вишокот хлорид се екскретира преку урината. • Хлорид се губи и преку потта.

50

• Во одржување на ацидо-базната рамнотежа во организмот хлоридот учествува преку замена за бикарбонатот со цел да се одржи електронеутралноста.

• Во нормални услови концентрацијата на хлорид во плазмата главно ја следи концентацијата на натриумот.

• Во услови на пореметена ацидо-базна рамнотежа одредувањето на концентацијата на хлоридот е значајно за поставување на диференцијална дијагноза на пореметувањето.

• Вообичаено концентрацијата на хлоридот се одредува заедно со натриумот и калиумот.

51

БИКАРБОНАТ

• Бикарбонатот (HCO3- ) е екстрацелуларен

анјон од ендогено потекло. • Се синтетизира од CO2 кој е краен продукт

на разложувањето на многубројни органски материи.

• За јаглерод диоксидот и водата е карактеристично тоа што, под дејство на ензимот карбон анхидраза, реагираат меѓу себе при што се добива јаглеродна киселина, која понатаму дисоцира.

52

• Бубрезите ја претставуваат последната одбранбена линија против промените на рН во организмот.

• Во услови кога има вишок на кисели компоненти бубрезите нив ги екскретираат, а ги конзервираат базите. Овие процеси главно се случуваат преку следните механизми:

(1) Секреција на водород во замена за натриум, (2) Синтеза на амонијак и екскреција на NH4

+ и (3) Реапсорпција на бикарбонатот.

• Во услови кога има вишок на базни компоненти бубрезите нив ги екскретираат, а ги конзервираат киселините.

53