Разтворимост на въглероден диоксид във вода и други проблеми
Въпрос: какво задържа останалата част от въглеродния диоксид във водата, тъй като не е в газова фаза, иначе веднага ще се изпари? Никъде не мога да намеря отговор на този въпрос: какво задържа действителния диоксид във водата? Може ли да образува водородни връзки с водни молекули? Тъй като могат да се образуват водородни връзки между водороден атом, свързан с атом на електроотрицателен елемент и електроотрицателен елемент, който има свободна двойка електрони (O,F,N)?
И още един въпрос. При pH=3 реакцията на дисоциация се измества наляво, въглеродната киселина се разлага на въглероден диоксид и вода. Какво ще кажете за разтворения диоксид? Всички тези въпроси са свързани с процеса на дишане при насекомите и експлозивното отделяне на въглероден диоксид от трахеолната течност. Тези проблеми са пряко свързани с действието на карбоанхидразата, която катализира процеса на свързване на диоксида с водата и образуването на бикарбонат. Но не ми е известно една от многото изоформи на карбоанхидразата да катализира обратния процес. В случая с карбохемоглобина всичко е ясно - ефектът на Бор. Но бикарбонатът, влизащ в алвеолите от кръвната плазма, какво предизвиква процеса на свързване с протона? Каква е кинетиката на този процес?
Ще бъда много благодарен, ако можете да изясните тези въпроси или да изясните посоката на търсене на отговори.
С уважение, Владимир.
Като цяло, доколкото ми е известно, разтворимостта на въглеродния диоксид във вода е по-висока за всички газове, тя е около 70 пъти по-висока от разтворимостта на кислорода и 150 пъти по-висока от разтворимостта на азота при коефициент на адсорбция на въглероден диоксид от вода 12,8, което съответства на разтворимостта на 87 ml газ в 100 mg вода. И накрая, може да се предположи, че CO2 по някакъв начин е вграден в затворени водни клъстери и се задържа в тях, какъвто е случаят в ….. Но е малко вероятнотакъв процес може да се осъществи. Разтворимостта на газовете във вода е различна и зависи както от външни фактори - температура и налягане, така и от природата на самия газ и способността му да влиза в химическа реакция с водата (както е случаят с въглеродния диоксид, който се разтваря във вода поради химическа реакция с образуването на въглеродна киселина, която от своя страна се дисоциира на H + и HCO - 3 йони). Но от друга страна, само 1% CO2 във воден разтвор присъства в него под формата на H2CO3. Това несъответствие е отбелязано от много изследователи. Следователно, за удобство при изчисляването на химичните уравнения, pKa и pH, се приема, че целият CO2 реагира с вода.
От гледна точка на химическата кинетика процесът на разтваряне на въглероден диоксид във вода е доста сложен. Когато CO2 се разтвори във вода, се установява равновесие между въглеродна киселина H2CO3, бикарбонат HCO3 - и карбонат CO3 -.
Изчисляването на йонизационната константа в този случай се извършва по следната схема:
Константата на първия етап на йонизация е pKa1 = 4,4 x 10 -7,
Константата на втория етап на йонизация е pKa2 = 5,6 x 10 -11,
Тъй като и двата етапа на йонизация са в състояние на равновесие в разтвор на въглена киселина, е възможно да се комбинират първата и втората йонизационни константи pKa1 и pKa2 чрез умножаването им:
pKa1 x pKa2 = 4,4 x 10 -7 x 5,6 x 10 -11 = 2,46 x10 -17
Балансът между въглероден диоксид, бикарбонат и карбонат зависи от pH: тук се прилага принципът на Le Chatelier - наличието на водородни йони в разтвора измества алкалната реакция на средата към киселинната страна (pH до 5,5). Обратно, отстраняването на протоните от системата измества равновесието на реакцията наляво, когато въглеродният диоксид се допълва от карбонат и бикарбонат. По този начин, при ниско рН, системата е доминирана отвъглероден диоксид и практически не се образува бикарбонат или карбонат, докато при неутрално рН бикарбонатът доминира CO2 и H2CO3. Само при високо рН преобладава карбонатът.
Карбоанхидразата катализира процеса на CO2 хидратация и CO2 дехидратация (около 100 пъти).
Що се отнася до ефекта на Бор, там, ако не се лъжа, има друг механизъм - намаляването на стойността на pH води до намаляване на свързването на кислорода с хемоглобина, в резултат на което се освобождава кислород. Доколкото си спомням от курса по биохимия в института, ефектът на Бор се обяснява с факта, че в молекулата на хемоглобина има места за свързване на протони под формата на остатъци от хистидин и аспарагинова киселина. Не мога да кажа със сигурност как се случва всичко там, но основната точка е способността на тези аминокиселинни остатъци да взаимодействат помежду си под формата на окси-дезокси форма. В дезокси формата, остатъкът от аспарагинова киселина е способен да образува връзка между протонирания хистидинов остатък. Този хистидинов остатък има висока pKa стойност, тъй като връзката на хистидина с остатъка от аспарагинова киселина предпазва протона от дисоциация. Но в окси-формата образуването на такава връзка е невъзможно и следователно стойността на pKa за окси-формата на хистидина се връща към нормалната стойност на pKa. Следователно, при рН на кръвта 7,4, хистидинът съществува в оксихемоглобина в непротонирана форма. Високите концентрации на протони насърчават образуването на дезокси формата на хистидин и, като следствие, освобождаването на кислород. Освобождаването на CO2 от своя страна намалява афинитета на хемоглобина към кислорода по два начина. Първо, малко CO2 се превръща в бикарбонат, освобождавайки протони, отговорни за ефекта на Бор. Друга част от този бикарбонат се освобождава от еритроцитите, останалата част от бикарбоната взаимодействадиректно с хемоглобина, свързвайки се с N-групата на аминокиселинния остатък и образувайки естер на нестабилен уретан на карбаминова киселина. При този процес отново се освобождават протони, което от своя страна води до освобождаване на O2 и свързване на CO2. Така възниква цикълът на дишане.