Hydrogenuhličitanový (bikarbonátový) ústojný systém krve. V plasmě je ústojný systém dvojice hydrogenuhličitan / kyselina uhličitá: H 2 CO 3 H + + HCO 3 - pK kys. uhličité při 37 o C je 3, 57 což je výrazně mimo optimální pH plasmy (7, 42) Koncentrace H 2 CO 3 je nepatrnou frakcí vzhledem ke koncentraci HCO 3 -. Při koncentraci HCO mM, je koncentrace H 2 CO 3 pouze 3, 55  M. Jak může hydrogenuhličitanový ústojný systém optimálně fungovat ?

Kritická koncentrace H 2 CO 3 je konstantní díky rovnováze s rozpuštěným CO 2 (tvoří se v alveolách plic). Člověk vydechuje denně 1 kg CO 2. Co kdyby to nebyl prchavý plyn ? Existuje rovnováha mezi plynným CO 2 (g) a rozpuštěným ve tkáňových tekutinách – CO 2 (d). Hydratace CO 2 je katalyzována karbonáthydratasou. Za podmínek „in vivo“ je rovnováha posunuta na stranu rozpuštěného CO 2. Na každých 300 molekul CO 2 je přítomna jedna molekula H 2 CO 3. Přesné vyjádření hotovosti H 2 CO 3 jako součet: [ CO 2 (d)] + [H 2 CO 3 ]

Celkové rovnováhy hydrogenuhličitanového ústoje: CO 2 (d) + H 2 O H 2 CO 3 H 2 CO 3 H + + HCO 3 - Ionizace H 2 CO 3 za přítomnosti CO 2 (d): K h = [H 2 CO 3 ] / [CO 2 (d)] z toho: [H 2 CO 3 ] = K h. [CO 2 (d)], hodnotu vložíme do výrazu pro disociaci kys. uhličité: K a = [H + ]. [HCO 3 - ] / [H 2 CO 3 ] = [H + ]. [HCO 3 - ] / K h. [CO 2 (d)]. Celková rovnovážná konstanta ionizace H 2 CO 3 v rovnováze s CO 2 (d) je dána: K a. K h = [H + ]. [HCO 3 - ] / [CO 2 (d)], konstanta označena K celková.

Hodnota K h = 0, 003 při 37 o C Hodnota K a = 0, K a. K h = 0, 003 x 0, = 8, 07 x Z toho celkove pK, pK celkové = 6, 1. Dle rovnice Henderson – Hasselbach: pH = pK celkové + log 10 [HCO 3 - ] / [CO 2 (d)] I když pH krve 7, 42 je o jednotku vyšší než pK celkove, je hydrogenuhličitanový ústojný systém efektivní. Plynný CO 2 (g) je ústoj, který stále doplňuje CO 2 (d). Koncentrace CO 2 (d) je udržována na konstantní hladině – nadbytečný CO 2 je ihned vylučován plícemi. OTEVŘENÝ SYSTÉM „ in vivo“!!!

Pro praktické účely je hydrogenuhličitanový ústoj uvažován jako dvojice HCO 3 - (konjugovaná báze) a CO 2 (konjugovaná kyselina). Příklad: Krevní plasma obsahuje celkovou uhličitanovou hotovost (HCO CO 2 ) = 2, 52 x M. a) Jaký je poměr HCO 3 - / CO 2 a koncentrace každé složky ústoje při pH = 7, 4 ? b) Jaké by bylo pH, když je přidáno M H + za podmínek, kdy se nemůže zvýšená koncentrace CO 2 uvolnit ? c) Jaké by bylo pH, když přidáme M H + a nadbytek CO 2 je uvolněn (na hladinu původní koncentrace CO 2 ) ?

Řešení: a) pH = pK + log 10 [HCO 3 - ] / [CO 2 (d)] 7, 4 = 6, 1 + log 10 [HCO 3 - ] / [CO 2 (d)] 1, 3 = log 10 [HCO 3 - ] / [CO 2 (d)] [HCO 3 - ] / [CO 2 (d)] = 20 / 1 [HCO 3 - ] = 20 / 21 x 2, 52 x = 2, 4 x M. [CO 2 (d)] = 1, 2 x M. b) V uzavřeném systému - přidáno 0, 01 M H + : [HCO 3 - ] celkové = 0, 024 – 0, 010 = 0, 014 M [CO 2 (d)] celkové = 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 HCO 3 - / CO 2 malou ústojnou kapacitu !!!

c) V otevřeném systému-přidáno 0, 01 M H + : 0, 024 M HCO , 01 H + + 0, 0012 M CO 2 = 0, 014 M HCO , 0112 CO 2 0, 01 M CO 2 se uvolní jako plyn. 0, 014 HCO , 0012 M CO 2 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 HCO 3 - je neustále doplňována neboť CO 2 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 CO 2 (korigováno na standardní teplotu a tlak). a) Vypočtěte celkovou koncentraci rozpuštěného CO 2 v krvi [CO 2 + HCO 3 - ]. b) Koncentraci rozpuštěného CO 2 a HCO 3 -.

Hemoglobin (Hb) jako ústoj v krvi. Odhlédneme-li, pro zjednodušení, od allosterického charakteru vazby kyslíku na hemoglobin (Hb), exisuje Hb ve dvou rovnováhách: deoxyHb + O 2 = 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 pK a deoxyhemoglobinu. Za situace pH 7, 4 a pK a = 7, 7 jsou asi dvě třetiny deoxyhemoglobinu přítomny jako konjugovaná kyselina. V plících přijímá Hb kyslík. H HbO 2 je silnější kyselina než H Hb. Konformační změny v molekule po oxygenaci snižují pK a His v oblasti hemu na 6, 2. Výsledkem je uvolnění H +. Zvýšená koncentrace H + posunuje rovnováhu H + + HCO 3 - na pravou stranu (H 2 O + CO 2 ) což vede k odstranění H + a uvolnění CO 2 do atmosféry. OxyHb je transportován do tkání, kde je nízký parciální tlak O 2 – uvolňuje se O 2 a Hb. Hb je silnější báze než oxyHb (odpovídá H HbO 2 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. K O 2 byla arbitrálně stanovena rovna 1. Ostatní konstanty jsou disociační. Konstanta pK a má hodnotu 7, 7 ačkoliv byly publikovány hodnoty od 7, 71 po 8, 18. Konstanta pK a, 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 CO 2. Jak H +, tak CO 2 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 CO 2 klesá afinita hemoglobinu ke kyslíku. Za přítomnosti CO 2 o parciálním tlaku 40 torrů se uvolní z hemoglobinu 90 % přenášeného kyslíku. Vliv H + a CO 2 na regulaci vazby kyslíku na hemoglobin se nazývá Bohrův efekt. Podle Christiana Bohra, který jev popsal v roce 1904.

Vliv pH a koncentrace CO 2 na afinitu kyslíku k hemoglobinu. Snížení pH ze 7, 4 (červená) na 7, 2 (modrá) vede k uvolnění O 2 z oxyhemoglobinu. Zvýšení parciálního tlaku z 0 na 40 Torrů (fialová) také vede k uvolnění O 2 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

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.