المنظمات الحيوية Buffer system

الدكتور/ فلاح حسن

كلية التربية الرياضية - جامعة القادسية - العراق

يستخدم مصطلح المنظمات الحيوية لوصف التفاعلات الكيميائية التي تقلل من تغيرات تركيز الهيدروجين إلى الحد الأدنى ، وتعد العامل الأساسي للحفاظ على اعتيادية مقياسPHالدم والمنظم الحيوي هو أي جزء يساعد على الوقاية من تغيراتPHالذي يحدث في الجسم نتيجة لزيادة تركيز أيون الهيدروجين ويعرف ذلك بالحمضنةAcidosisوعلى العكس من ذلك فالنقص في تركيز الهيدروجين يؤدي إلى القلونةAlkalosis، ويمكن في حالة عدم نجاح المنظمات الحيوية في القيام بدورها في معادلة أي خلل يحدث في تركيز الهيدروجين سوف يؤدي إلى حدوث الغيبوبة أو الوفاة .

أن المنظمات عبارة عن الحامض ومحلولة الملحي حيث أنها تحافظ على درجة تركيز أيونات الهيدروجينPHفي الدم بالرغم من إضافة كميات محدودة من المادة الحمضية أو المادة القلوية ، أي أنها عبارة عن المواد التي تخففالصدمة التي قد تحدث للإنسان في حالة زيادة كميات الأحماض أو القلويات في الدم ،ومن المعلوم أن احتفاظ الدم بنسبة ثابتة من الهيدروجين يتوقف عليه استمرار الحياة بالنسبة للكائن الحي.

كما تسمى المنظمات الحيوية بـ ( الدارئ ) وهي أي مادة تتمكن من ربط أيون الهيدروجين بشكل عكسي والشكل العام للتفاعل هو :

وفي هذا المثال يتحدH⁺الحر مع الدارئ ليولد حامضاً ضعيفاً فعندما تزداد أيونات الهيدروجين يُدفع التفاعل إلى جهة اليمين ويرتبط مقدار أكبر من أيونات الهيدروجين مع الدارىء ما دام الدارئ متوافر وبالعكس فعندما ينخفض تركيز أيون الهيدروجين ينزاح التفاعل إلى جهة اليسار وتتحرر أيونات الهيدروجين من الدارئ.

كما وأن المنظمات الحيويةBuffersإحدى الطرائق التي بها يستطيع الجسم تحمل زيادة تراكم حامض اللاكتيك , فالمنظمات تخفف من قوة حامض اللاكتيك فتجعله حامضاً ضعيفاً لدرجة أن توازنPHفي النسيج العضلي لا يتجه إلى الانخفاض بمعدل سريع ,و يعد معدل الجلكزة هي الطريقة المناسبة لاستمرار أنتاج الطاقة .

هنالك ثلاثة أنواع رئيسية للمنظمات الحيوية وهي :

أن الأنظمة الكيميائية الدارئة لسوائل الجسم تعمل خلال جزء من الثانية لتقليل قيمة الأس الهيدروجين ، ولا تزيل هذه الأنظمة أيونات الهيدروجين من الجسم أو تضيفها أليه فحسب بل تعطل نشاطها فقط حتى تتم أعادة التوازن من جديد ، أما الخط الدفاعي الثاني وهوالجهاز التنفسي الذي يعمل خلال عدة دقائق على إزالةCo₂ومن ثم حامض الكربونيك (H₂Co₂) من الجسم . وهذان الخطان الدفاعيان يحولان دون تغير تركيز أيون الهيدروجين إلى أن يستجيب خط الدفاع الثالث وهو الأكثر بطأ ( أي الكليتان ) ويتمكن من إزالة فائضالحمض أو القاعدة من الجسم ،إذ تعدالكليتان بطيئتين نسبياً للاستجابة مقارنة بالأنواعالأخرى ، إذ تحتاج لمدة ساعات أو عدة أيام لإعادة أحكام تركيز أيون الهيدروجين,وسيتم توضيح إلية عمل كل من تلك المنظمات الثلاثة .

·المنظمات الحيوية الكيميائيةchemical Buffering system

تعرف بالمنظمات الحيوية الأساسية ، ويتكون المنظم الحيوي الكيميائي من حامض وقاعد أو ملح الحامض والقاعد ، وتوجد من هذه المنظمات أربعة أنواع في الدم وهي :

تقدر كمية المنظمات الحيوية الأساسية في حالة الراحة بحوالي 45 مللي مكافئ / لتر وهي توجد في بلازما الدم ما عدا نظام الهيموكلوبين ، وتساعد هذه المنظمات على تقليل مستوى أيون الهيدروجين في الدم ، ومثال على ذلك زيادة تركيز حامض اللاكتيك في الدم 10 أضعاف تركيزهفي وقت الراحة فأن المنظمات الحيوية تواجه هذه الزيادة بحيث لا يزيد تركيزأيون الهيدروجين بنفس الدرجة وبدرجة 1.5 مرة وليس 10 أضعاف تركيزه في وقت الراحة . ويطلق مصطلح الاحتياطي القلوي على كمية البيكربونات في الدم في الظروف العادية وهذا يدل على كمية الحامض التي يمكن الاتحاد معها في الدم ، ويبلغ مستوى الاحتياطي القلوي ( البيكربونات )في الدم في وقت الراحة 25 ملي مكافىء / لتر أي أنها تشكل حوالي 60% من حجم جميع المنظمات الحيوية الأساسية وهذا المقدار ينخفض أثناء العمل العضلي بنسبة تصل الى95% نتيجة مواجهة حامض اللاكتيك ، بينما تبقى النسبة 5% لمواجهة زيادة الأحماض الدهنية في بلازما الدم .

وتوجد علاقة عكسية بين تركيز حامض اللاكتيك ومستوى البيكربونات ، فعند العمل العضلي ذي الشدة المنخفضة لا يتغير مستوى البيكربونات ، بينما ينخفض مع زيادة شدة الحمل.

يتكون نظام دارئ البيكربونات من محلول مائي يحتوي على مكونين أثنين هما :-

ويتشكلH2co3 في الجسم بواسطة تفاعلCo2مع الماء وكما في المعادلة

هذا التفاعل بطيء وتتشكل فيه كميات قليلة جداً منH₂co₃أن لم يكن أنزيم الانهيدراز الكربوني موجوداً . ويتوافر هذا الأنزيم بشكل خاص في جدران الاسناخ الرئوية ، حيث يتحررco₂كما يوجد أيضاً في الخلايا الظهارية للنبيبات الكلوية حيث يتفاعلco₂ معH₂OلتوليدH₂co₃ويتأين حمض الكربونيك بشكل ضعيف ليتشكل كميات صغيرة منH+وHco₃وكما في المعادلة التالية :-

أما المكون الثاني للنظام ، أي ملح البيكربونات فيوجد غالباً على شكل بيكربونات الصوديوم والذي يرمز له (NaHco₃) في السائل خارج الخلايا ويتأين بيكربونات الصوديوم بشكل كامل تقريباً ليولد أيونات البيكربونات (Hco₃-) وأيونات الصوديوم ( Na+) وكما في المعادلة.

ويوضع مكوني النظامين معاً ، نحصل على ما يأتي :-

وبسبب التفارق الضعيف لحامض الكربونيك يكون تركيزH+ضئيلاًجداً . وعندما يضاف حامض قوي مثل حامض الهيدروكلوريك (HCl)إلىمحلول دارئه البيكربونات فأن الزيادة في أيونات الهيدروجين المحررةمنالحمض يتم درؤها بواسطةHco₃^-

وبالنتيجة يتشكلH2Co3أضافي مما يؤدي إلى زيادة أنتاجCo2وH2O وبذلك ترى أن أيون الهيدروجين المتحرر من الحامض القويHCl تتفاعل معHCo₃-لتكون الحمض الضعيفH₂Co₃ الذي بدورهيتاين إلىCo₂+H₂Oوبذلك تزداد عملية التنفس لإزالةمنCo₂من السائل خارج الخلايا .

وتحدث تفاعلات معاكسة عندما تضاف قاعدة قوية مثل هيدروكسيد الصوديوم (NaOH) إلى محلول دارئه البيكربونات.

وفي هذه الحالة يتحد أيون الهيدروكسيل (OH-) منNaOHمعH2Co₃لتشكيلHCo₃ أضافي . ومن ثم تحل القاعدة الضعيفةNaHco3محل القاعدة القويةNaOHوفي الوقت نفسه ينخفضتركيزH2Co₃( بسبب تفاعله معNaOH)Co₂مع الماءH₂Oلإعادةتشكيل حامض الكربونيكH₂Co₃.

وبذلكتتجه النتيجة النهائية إلى تخفيض مستويات ثاني اوكسيد الكربون في الدم . إلا أن تناقصCO₂الدم يثبط التنفس ويقلل معدل زفرة . ويعاوض الارتفاع فيHCO₃الدم الذي يحصل بزيادة أفراغ الكلية لايون البيكربونات.ويساويPKفي نظام دارئ البيكربونات 6.1 وتعوض في المعادلة أعلاه لتصبح

والمعادلة الأخيرة تسمى معادلة هندرسن هاسلباخ والتي تبين أن أي زيادة في تركيزHco₃تسبب ارتفاعPHومن ناحية أخرى فان أي زيادةPo₄تؤدي إلى انخفاضPH.

بعدما تم توضيح إلية العمل بشكل مفصل لابد التعرف أيضا عن ماهية تأثير التدريب الرياضي على عمل المنظمات الحيوية , فكما هو معروف أن النظام اللاكتيكي هو أكثر أنظمة أنتاج الطاقة تأثيرا على جسم الإنسان وذلك بسبب شدة تأثيره على المركبات الكيميائية الذي يغير ويعطل من عمل تلك المواد الكيميائية مثل انتشار الغذاء والأملاح المعدنية وكذلك الناقلات العصبية .......الخ لذلك كان لابد من إيجاد خطوط دفاعية تقلل شدة التأثير السلبي التي من الممكن أن يسببها تراكم حامض اللاكتيك بكميات كبيرة وهنا جاء دور المنظمات الحيوية التي تعمل على درئ ايون الهيدروجين المتحررة من سلسلة تفاعلات تحلل السكر لاهوائياً وذلك من خلال ارتباط احد المنظمات الكيميائية بايون الهيدروجين وبذلك تقلل من ارتفاعه والمحافظة على حامضية الدم ضمن الحدود الطبيعية , أن هذه الميكانيزمية تمكن الجسم من العمل لأطول فترة ممكنه في مواجهة تراكم حامض اللاكتيك وكذلك التعب الناتج عن الجهد البدني العنيف.وفي دراسة أجراها الباحث على 12 لاعب كرة سلة فئة المتقدمين تعرضوا إلى تمرينات بشدة 80 -90 % لمدة 10 أسابيع وبواقع 30 وحدة تدريبية كان هدف الدراسة هو زيادة قدرة عضلات اللاعبين في مواجهة تراكم كميات من حامض اللاكتيك لتأخير التعب الناتج عن المجهود البدني من خلال كفاءة المنظمات الحيوية وكذلك أنزيمات التمثيل اللاهوائي المسؤولية عن أكسدة السكر لاهوتيا .

وقد أظهرت النتائج وجود مؤشرات ايجابية عن تطور عمل تلك المنظمات الكيميائية (Hco₃,H₂co₃,Hb) من خلال زيادة فترة العمل على جهاز السير المتحرك مقارنة بالاختبار القبلي وهذا يعني أن المنظمات واجهة زيادة ايون الهيدروجين في الدم لذلك فان التدريب المنتظم المبنية على أسس علمية يمكن ان يطور عمل تلك المنظمات كأحد أنواع التكيفات التي تحدث في العضلة والدم من جراء التدريبات المستمرة