Кислотно-основное состояние - один из важнейших физико-химических параметров внутренней среды организма. В организме здорового человека ежедневно в процессе обмена веществ постоянно образуются кислоты - около 20000 ммоль угольной (Н 2 С0 3) и 80 ммоль сильных кислот, однако концентрация Н+ колеблется в относительно узком диапазоне. В норме рН внеклеточной жидкости составляет 7,35-7,45 (45-35 нмоль/л), а внутриклеточной жидкости - в среднем 6,9. Вместе с тем, следует отметить, что концентрация Н+ внутри клетки неоднородна: она различна в органеллах одной и той же клетки.
Н+ до такой степени реакционно способны, что даже кратковременное изменение их концентрации в клетке способно существенно отразиться на активности ферментных систем и физиологических процессах, однако, в норме мгновенно включаются буферные системы, защищающие клетку от неблагоприятных колебаний рН. Буферная система может связать, или, наоборот, освободить Н+ сразу же в ответ на изменение кислотности внутриклеточной жидкости. Буферные системы действуют и на уровне организма в целом, но в конечном счете регуляции рН организма определяется функционированием легких и почек.
Итак, что же такое кислотно-основное состояние (син.: кислотно-щелочное равновесие; кислотно-щелочное состояние; кислотно-основное равновесие; кислотно-основной гомеостаз)? Это относительное постоянство водородного показателя (рН) внутренней среды организма, обусловленное совместным действием буферных и некоторых физиологических систем организма.
Кислотно-щелочное равновесие - относительное постоянство водородного показателя (рН) внутренней страны организма, обусловленное совместным действием буферных и некоторых физиологических систем, определяющее полноценность метаболических превращений в клетках организма (Большая медицинская энциклопедия, т. 10, с. 336).
От соотношения водородных и гидроксильных ионов во внутренней среде организма зависит:
1) активность ферментов и интенсивность окислительно-восстановительных реакций;
2) процессы гидролиза и синтеза белка, гликолиз и окисление углеводов и жиров;
3) чувствительность рецепторов к медиаторам;
4) проницаемость мембран;
5) способность гемоглобина связывать кислород и отдавать его тканям;
6) физико-химические характеристики коллоидов и межклеточных структур: степень их дисперсности, гидрофилии, способность к адсорбции;
7) функции различных органов и систем.
Соотношение Н+ и ОН- в биологических средах зависит от содержания в жидкостях организма кислот (доноров протонов) и буферных оснований (акцепторов протонов). Активная реакция среды оценивается по одному из ионов (Н+ или ОН-), чаще всего по Н+. Содержание Н+ в организме зависит от образования их в ходе обмена белков, жиров и углеводов, а также поступления их в организм или выведения из него в виде нелетучих кислот или углекислого газа.
Величина рН, характеризующая состояние КОС, является одним из самых «жестких» параметров крови и колеблется у человека в очень узких пределах: от 7,35 до 7,45. Сдвиг рН на 0,1 за указанные границы обусловливает выраженные нарушения со стороны дыхания, сердечно-сосудистой системы и др., снижение рН на 0,3 вызывает ацидотическую кому, а сдвиг рН на 0,4 часто несовместим с жизнью.
Обмен кислот и оснований в организме тесно связан с обменом воды и электролитов. Все эти виды обмена объединены законом электронейтральности, изоосмолярности и гомеосгатическими физиологическими механизмами.
Общее количество катионов плазмы составляет 155 ммоль/л (Na+ -142 ммоль/л; К+ - 5 ммоль/л; Са2+ - 2,5 ммоль/л; Mg2+ - 0,5 ммоль/л; прочие элементы - 1.5 ммоль/л) и столько же содержится анионов (103 ммоль/л - слабое основание Cl-; 27 ммоль/ л - сильное основание НС03-; 7,5-9 ммоль/л - анионы белка; 1,5 ммоль/л - фосфатанионы; 0,5 ммоль/л -сульфатанионы; 5 ммоль/л - органические кислоты). Поскольку содержание Н+ в плазме не превышает 40х 106 ммоль/л, а главные буферные основания плазмы НСО3-, и анионы белка составляют около 42 ммоль/л, то кровь считается хорошо забуференной средой и обладает слабощелочной реакцией.
Анионы белка и НСО3- тесно связаны с обменом электролитов и КОС. В этой связи правильная трактовка изменений их концентрации имеет определяющее значение для оценки процессов, происходящих в сфере обмена электролитов, воды и Н+. КОС поддерживается буферными системами крови и тканей и физиологическими регуляторными механизмами, в которых участвуют легкие, почки, печень, желудочно-кишечный тракт.
Физико-химические гомеостатические механизмы
К физико-химическим гомеостатическим механизмам относятся буферные системы крови и тканей и, в частности, карбонатная буферная система. При воздействии на организм возмущающих факторов (кислоты, щелочи) поддержание кислотнощелочного гомеостаза обеспечивается, в первую очередь, карбонатной буферной системой, состоящей из слабой угольной кислоты (Н 2 СОз) и натриевой соли ее аниона (NaHCO3) в соотношении 1:20. При контакте этого буфера с кислотами, последние нейтрализуются щелочным компонентом буфера с образованием слабой угольной кислоты: NaHC03 + НСl > NaCl + H2C03
Угольная кислота дисоциирует на СО2 и Н20. Образовавшийся СО2 возбуждает дыхательный центр, и избыток углекислого газа удаляется из крови с выдыхаемым воздухом. Карбонатный буфер способен нейтрализовать и избыток оснований путем связывания угольной кислотой с образованием NaHCO3 и последующим его выведением почками:
NaOH + Н2С03 > NaHCO+Н20.
Удельный вес карбонатного буфера невелик и составляет 7-9% общей буферной емкости крови, тем не менее этот буфер занимает центральное по своей значимости место в буферной системе крови, поскольку первым контактируете возмущающими факторами и тесно связан с другими буферными системами и физиологическими регуляторными механизмами. Следовательно, карбонатная буферная система является чувствительным индикатором КОС, поэтому определение ее компонентов широко используется для диагностики расстройств КОС.
Второй буферной системой плазмы крови является фосфатный буфер, образованный одноосновными (слабые кислоты) и двухосновными (сильные основания) фосфатными солями: NaH2P04 и Na2HP04 в соотношении 1:4. Фосфатный буфер действует аналогично карбонатному буферу. Стабилизирующая роль фосфатного буфера в крови незначительна; гораздо большее значение он играет в почечной регуляции кислотно-щелочного гомеостаза, а также в регуляции активной реакции некоторых тканей. Фосфатному буферу в крови отводится важная роль в поддержании КЩР и воспроизводству бикарбонатного буфера:
Н2СОз + Na2HPO4 > NaHC03 + NaH2PO 4 т.е. избыток Н2С03 устраняется, а концентрация NaHC03 увеличивается, и соотношение H2C03/NaHC03 остается постоянным 1:20.
Третьей буферной системы крови являются белки, буферные свойства которых определяются их амфотерпостью. Они могут дисоциировать, образуя как Н+ так и ОН-. Однако буферная емкость белков плазмы по сравнению с бикарбонатами невелика. Наибольшая буферная емкость крови (до 75%) приходится на гемоглобин. Гистидин, входящий в состав гемоглобина, содержит как кислые (СООН), так и основные (NH2) группы.
Буферные свойства гемоглобина обусловлены возможностью взаимодействия кислот с калиевой солью гемоглобина с образованием эквивалентного количества соответствующей калиевой соли и свободного гемоглобина, обладающего свойствами очень слабой органической кислоты. Таким образом могут связываться большие количества H+. Способность связывать Н+ у солей НЬ выражена сильнее, чем у солей оксигемоглобина (НЬО2). Иными словами - гемоглобин является более слабой органической кислотой, чем оксигемоглобин. В этой связи при диссоциации НЬО, в тканевых капиллярах на О2 и НЬ появляется дополнительное количество оснований (солей НЬ), способных связывать углекислоту, противодействуя снижению рН, и наоборот, оксигенация НЬ приводит к вытеснению Н2С03 из гидрокарбоната. Эти механизмы действуют при превращении артериальной крови в венозную кровь и обратно, а также при изменении рС02.
Гемоглобин способен связывать углекислый газ с помощью свободных аминогрупп, образуя карбогемоглобин
R-NH2 + CO2 - R-NHCOOH
Гаким образом, NHC03 в системе карбонатного буфера при «агрессии» кислот компенсируется за счет щелочных протеинов, фосфатов и солей гемоглобина.
Чрезвычайно важное значение в поддержании КОС имеет обмен Сl и НСОз между эритроцитами и плазмой. При увеличении концентрации углекислоты в плазме концентрация Сl в ней уменьшается, так как ионы хлора переходят в эритроциты. Основным источником Сl в плазме является NaCl. При повышении концентрации Н2СО3 происходит разрыв связи между Na+ и Сl- и их разделение, причем ионы хлора входят в эритроциты, а ионы натрия остаются в плазме, поскольку мембрана эритроцитов для них практически непроницаема. Одновременно возникающий избыток Na+ соединяется с избытком НСО3-, образуя бикарбонат натрия и восполняя его убыль при закислении крови и поддерживая, таким образом, постоянство рН крови.
Снижение рС02 в крови вызывает обратный процесс: ионы хлора выходят из эритроцитов и соединяются с избытком ионов натрия, высвободившихся из NaHC03, что предотвращает защелачивание крови.
Важная роль в поддержании КОС принадлежит буферный системам тканей - в них имеются карбонатная и фосфатная буферные системы. Однако, особую роль играют тканевые белки, обладающие способностью связывать очень большие количества кислот и щелочей.
Не менее важную роль в регуляции КОС играют гомеостатические обменные процессы, происходящие в тканях, особенно в печени, почках и мышцах. Органические кислоты, например, могут окисляться с образованием летучих, легко выделяющихся из организма кислот (главным образом, в виде углекислоты), либо соединяться с продуктами белкового обмена, полностью или частично утрачивая кислые свойства.
Молочная кислота, образующаяся в больших количествах при напряженной мышечной работе, может ресинтезироваться в гликоген, а кетоновые тела - в высшие жирные кислоты, а затем в жиры и т.д. Неорганические кислоты могут быть нейтрализованы солями калия и натрия, освобождающимися при дезаминировании аминокислот аммиаком с образованием аммонийных солей.
Щелочи могут нейтрализоваться лактатом, усиленно образующимся из гликогена при сдвиге рН тканей. КОС поддерживается благодаря растворению сильных кислот и щелочей в липидах, связыванию их различными органическими веществами в недиссоциируемые и нерастворимые соли, обмену ионов между клетками различных тканей и кровью.
В конечном итоге, определяющим звеном в поддержании кислотно-основного гомеостаза является клеточный обмен, поскольку трансмембранный поток анионов и катионов и их распределение между вне- и внутриклеточными секторами является результатом деятельности клеток и подчинены потребностям этой деятельности.
Физиологические гомеостатические механизмы
Не менее важную роль в поддержании кислотно-щелочного гомеостаза играют физиологические гомеостатические механизмы, среди которых ведущая роль принадлежит легким и почка,». Органические кислоты, образующиеся в процессе обмена, или кислоты, попавшие в организм извне, благодаря буферным системам крови вытесняют углекислоту из ее соединений с основаниями, а образующийся при этом избыток СО2 выводится легкими.
Углекислый газ диффундирует примерно в 20 раз интенсивнее кислорода. Облегчается этот процесс двумя механизмами:
переходом гемоглобина в оксигемоглобин (оксигемоглобин как более сильная кислота вытесняет СО2 из крови);
Действием легочной карбоангидразы карбоангидраза
н2со3 - со2+ н2о.
Количество углекислого газа, выводимого легкими из организма, зависит от частоты и амплитуды дыхания и определяется содержанием углекислоты в организме.
Участие почек в поддержании КОС определяется главным образом их кислотовыделительной функцией. В нормальных условиях почки выделяют мочу, рН которой колеблется от 5,0 до 7,0. Величина рН мочи может достигать 4,5, что свидетельствует о 800-кратном превышении Н+ в ней по сравнению с плазмой крови. Подкисление мочи в проксимальных и дистальных отделах почечных канальцев является следствием секреции Н+ (ацидогенез). Важную роль в этом процессе играет карбоангидраза эпителия почечных канальцев. Этот фермент ускоряет достиисение равновесия между медленной реакцией гидратации и дегидратации угольной кислоты:
карбоангидраза
н2со3 - н2о + со2
При снижении рН увеличивается скорость некатализируемой Н2СОЗ > Н2 + НСO3-. Благодаря ацидогенезу из организма выводятся кислые компоненты фосфатного буфера (Н + + НР04 2- > Н2Р04-) и слабые органические кислоты (молочная, лимонная, в-оксимасляная и др.). Выделение эпителием почечных канальцев Н+ осуществляется против электрохимического градиента с энергетическими затратами и одновременно происходит реабсорбция эквивалентного количества Na+ (уменьшение реабсорбции Na+ сопровождается снижением ацидогенеза). Реабсорбированный благодаря ацидогенезу Na+ образует в крови вместе с НСО3-, выделяемым эпителием почечных канальцев, бикарбонат натрия
Na + + НС03 - > NaHC03
Ионы Н+, секретируемые эпителием почечных канальцев, взаимодействуют с анионами буферных соединений. Ацидогенез обеспечивает выделение преимущественно анионов карбонатного и фосфатного буферов и анионов слабых органических кислот.
Анионы сильных органических и неорганических кислот (CI-, S0 4 2-) удаляются почками из организма благодаря аммониогенезу, обеспечивающему выведение кислот и предохраняющему от снижения рН мочи ниже критического уровня дистальных канальцев и собирательных трубок. NH3, образующийся в эпителии почечных канальцев в процессе дезаминирования глутамина (60%) и других аминокислот (40%), поступая в просвет канальцев, соединяется с Н+, образующимися в процессе ацидогенеза. Таким образом, аммиак связывает ионы водорода и выводит анионы сильных кислот в виде аммонийных солей.
Аммониогенез тесно связан с ацидогенезом, поэтому концентрация аммония в моче находится в прямой зависимости от концентрации в ней Н+: закисление крови, сопровождающееся снижением рН канальцевой жидкости, способствует диффузии аммиака из клеток. Экскреция аммония определяется также скоростью его продукции и скоростью потока мочи.
В регуляции экскреции почками кислот важную роль играют хлориды - увеличение реабсорбции НСО3- сопровождается увеличением реабсорбции хлоридов. Ион хлора пассивно следует за катионом натрия. Изменение транспорта хлоридов является следствием первичного изменения секреции ионов Н+ и реабсорбции НСO3 и обусловлено необходимостью поддержания электронейтральности канальцевой мочи.
Кроме ацидоза и аммониогенеза, существенная роль в сохранении Na+ при закислении крови принадлежит секреции К. Калий, освобождающийся из клеток при снижении рН крови, усиленно экскретируется эпителием почечных канальцев при одновременном увеличении реабсорбции Na+ - сказывается регулирующее действие минералокортикоидов: альдостерона и дезоксикортикостерона. В норме почки выделяют преимущественно кислые продукты обмена, но при повышенном поступлении в организм оснований реакция мочи становится более щелочной вследствие усиленного выделения бикарбоната и основного фосфата.
Важное значение в выделительной регуляции КОС играет желудочно-кишечный тракт. В желудке образуется соляная кислота: Н+ секретируются желудочным эпителием, a CI- поступают из крови. В обмен на хлориды в кровь в процессе желудочной секреции поступает бикарбонат, но защелачивания крови не происходит, поскольку CI- желудочного сока вновь всасываются в кровь В кишечнике эпителий слизистой кишечника секретерует щелочной сок, богатый бикарбонатами. При этом Н+ переходят в кровь в виде НСl. Кратковременный сдвиг реакции сразу же уравновешивается обратным всасыванием NaHC03 в кишечнике. Кишечный тракт в отличие от почек, концентрирующих и выделяющих из организма главным образом К+" и одновалентные катионы, концентрирует и удаляет из организма двухвалентные щелочные ионы. При кислой диете увеличивается выделение главным образом Ca2+ и Mg2+ а при щелочной - выделение всех катионов.
Кислотно-основное состояние -один из важнейших физико-химических параметров внутренней среды организма. В организме здорового человека ежедневно в процессе обмена веществ постоянно образуются кислоты - около 20 000 ммоль угольной (Н 2 С0 3) и 80 ммоль сильных кислот, однако концентрация Н+ колеблется в относительно узком диапазоне. В норме рН внеклеточной жид- кости составляет 7,35-7,45 (45-35 нмоль/л), а внеклеточной жидкости - в среднем 6,9. Вместе с тем, следует отметить, что Н + внутри клетки неоднородна: она различна в органеллах одной и той же клетки.
Н+ до такой степениспособны, что даже кратковременное изменение их концентрации в клетке способно существенно отразиться на активности ферментных систем и физиологических
процессах. Однако в норме мгновенно включаются буферные системы, защищающие клетку от неблагоприятных колебаний рН. Буферная система может связать или, наоборот, освободить Н + сразу
же в ответ на изменение кислотности внутриклеточной жидкости.
Буферные системы действуют и на уровне организма в целом, но, в
конечном счете, регуляция рН организма определяется функционированием легких и почек.
Итак, что же такое кислотно-основное состояние (синонимы: кислотно-щелочное равновесие, кислотно-щелочное состояние, кислотно-основное равновесие, кислотно-основной гомеостаз). Это относительное постоянство водородного показателя (рН) внутренней среды организма, обусловленное совместным действием буферных и некоторых физиологических систем организма (Энциклопедический словарь медицинских терминов, т. 2, с. 32).
Кислотно-щелочное равновесие - относительное постоянство водородного показателя (рН) внутренней среды организма, обусловленное совместным действием буферных и некоторых физиологических систем, определяющее полноценность метаболических превращений в клетках организма (БМЭ, т. 10, с. 336).
От соотношения водородных и гидроксильных ионов во внутренней среде организма зависит:
1) активность ферментов и интенсивность окислительно-восстановительных реакций;
2) процессы гидролиза и синтеза белка, гликолиз и окисление углеводов и жиров;
3) чувствительность рецепторов к медиаторам;
4) проницаемость мембран;
5) способность гемоглобина связывать кислород и отдавать его тканям;
6) физико-химические характеристики коллоидов и межклеточных структур: степень их дисперсности, гидрофилии, способность к адсорбции;
7) функции различных органов и систем.
Соотношение Н + и ОН" в биологических средах зависит от содержания в жидкостях организма кислот (доноров протонов) и буферных основания (акцепторов протонов). Активная реакция среды оценивается по одному из ионов (Н+ или ОН-), чаще всего по Н + . Содержание Н + в организме зависит от образования их в ходе обмена белков, жиров и углеводов, а также поступления их в организм или выведения из него в виде нелетучих кислот или углекислого газа.
Величина рН, характеризующая состояние КОС, является одним из самых «жестких» параметров крови и колеблется у человека в очень узких пределах: от 7,35 до 7,45л. Сдвиг рН на 0,1 за указанные границы обусловливает выраженные нарушения со стороны дыхания, сердечно-сосудистой системы и др., снижение рН на 0,3 - ацидотическую кому, а сдвиг рН на 0,4 часто несовместим с жизнью.
Обмен кислот и основании в организме тесно связан с обменом воды и электролитов. Все эти виды обмена объединены законом электронейтральности, изоосмолярности и гомеостатическими физиологическими механизмами.
Общее количество катионов плазмы составляет 155 ммоль/л (Na+ - 142 ммоль/л; К+ - 5 ммоль/л; Са 2+ - 2,5 ммоль/л; Mg 2 + 0,5 ммоль/л; прочие элементы - 1,5 ммоль/л), и столько же содержится анионов (103 ммоль/л - слабое основание CI~; 27 ммоль/л - сильное основание НСО,-; 7,5-9 ммоль/л - анионы белка; 1,5 ммоль/л - фосфатанионы; 0,5 ммоль/л - сульфатанионы; 5 ммоль/л - органические кислоты). Поско-льку содержание Н + в плазме не превышает_40х10 -6 ммоль/л, а главные буферные основания плазм (НСОз-) анионы белка составляют около 42 ммоль/л, то кровь считается хорошо забуференной средой и обладает слабощелочной реакцией.
Арендный блок
В поддержании кислотно-основного гомеостаза (баланс оптимальных концентраций кислотных и основных компонентов физиологических систем) участвуют все буферные системы организма. Действия их взаимосвязаны и находятся в состоянии равновесия. Наиболее связан со всеми буферными системами гидрокарбонатный буфер. Нарушения в любой буферной системе сказываются на концентрациях его компонентов, поэтому изменение параметров гидрокарбонатной буферной системы может достаточно точно характеризовать КОС организма.
КОС крови в норме характеризуется следующими метаболическими показателями:
рН плазмы 7,4±0,05;
[НСО3-]=(24,4±3) моль/л ― щелочной резерв кови;
рСО2=40 мм рт.ст.- парциальное давление СО2 над кровью.
Из уравнения Гендерсона-Гассельбаха для гидрокарбонатного буфера очевидно, что при изменении концентрации или парциального давления СО2 происходит изменение КОС крови.
Поддержание оптимального значения реакции среды в различных частях организма достигается благодаря согласованной работе буферных систем и органов выделения. Сдвиг реакции среды в кислую сторону называют ацидоз , а в оснóвную – алкалоз . Критическими значениями для сохранения жизни являются: сдвиг в кислую сторону до 6,8, а в оснóвную – 8,0. По происхождению ацидоз и алкалоз могут быть дыхательными или метаболическими.
Метаболический ацидоз развивается вследствие:
а) повышенной продукции метаболических кислот;
б) в результате потери гидрокарбонатов.
Повышенная продукция метаболических кислот происходит при: 1) сахарном диабете I типа, длительном, полном голодании или резком сокращении доли углеводов в рационе;
2) лактатацидозе (шок, гипоксия, сахарный диабет II типа, сердечная недостаточность, инфекции, отравление алкоголем).
Повышенная потеря гидрокарбонатов возможна с мочой (почечный ацидоз), или с некоторыми пищеварительными соками (панкреатический, кишечный).
Дыхательный (респираторный) ацидоз развивается при гиповент иляции лёгких, которая, независимо от вызвавшей её причины, приводит к росту парциального давления СО2 более 40 мм рт. ст. (гиперкапния). Это бывает при заболеваниях органов дыхания, гиповентиляции легких, угнетении дыхательного центра некоторыми препаратами, например, барбитуратами.
Метаболический алкалоз наблюдается при значительных потерях ж елудочного сока вследствие повторной рвоты, а также в результате потери протонов с мочой при гипокалиемии, при запорах (когда накапливаются щелочные продукты в кишечнике; ведь источником бикарбонат-анионов является поджелудочная железа, протоки которой открываются в 12-перстную кишку), а также при длительном приеме щелочной пищи и минеральной воды, соли которой подвергаются гидролизу по аниону.
Дыхательный (респираторный) алкалоз развивается вследствие гиперве нтиляции лёгких, приводящей к избыточному выведению СО2 из организма и понижению его парциального давления в крови менее 40 мм. рт. ст. (гипокапния). Это бывает при вдыхании разреженного воздуха, гипервентиляции легких, развитии тепловой одышки, чрезмерного возбуждения дыхательного центра вследствие поражения головного мозга.
При ацидозах в качестве экстренной меры используют внутривенное вливание 4 – 8 % гидрокарбоната натрия, 3,66%- ного раствора трисамина Н2NC(CH2OH)3 или 11 % лактат натрия. Последний, нейтрализуя кислоты, не выделяет СО2, что повышает его эффективность.
Алкалозы корректируются сложнее, особенно метаболические (связанные с нарушением систем пищеварения и выделения). Иногда используют 5 % раствор аскорбиновой кислоты, нейтрализованный бикарбонатом натрия до рН 6 – 7.
Щелочной резерв - это количество бикарбоната (NaHC03) (точнее объем СО2, который может быть связан плазмой крови). Эту величину лишь условно можно рассматривать как показатель кислотно-щелочного равновесия, так как, несмотря на повышенное или пониженное содержание бикарбоната, при наличии соответствующих изменений Н2СО3 рН может оставаться совершенно нормальным.
Так как компенсаторные возможности посредством дыхания , первоначально используемые организмом, ограничены, решающая роль в поддержании постоянства переходит к почкам. Одной из основных задач почек является удаление из организма Н+-ионов в тех случаях, когда вследствие каких-либо причин в плазме наступает сдвиг в сторону ацидоза. Ацидоз не может быть скорригирован, если не будет удалено соответствующее количество Н-ионов. Почки используют при этом 3 механизма:
1. Обмен ионов водорода на ионы натрия, которые, соединяясь с образующимися в канальцевых клетках анионами НСО3, полностью подвергаются обратному всасыванию в виде NaHCO,
Предпосылкой выделения Н-ионов с помощью этого механизма является активируемая карбоангидразой реакция С02 + Н20 = Н2С03, причем Н2С03 распадается на ионы Н и НСО3. При этом обмене ионов водорода на ионы натрия происходит обратное всасывание всего отфильтрованного в клубочках бикарбоната натрия.
2. Выделение с мочой ионов водорода и обратное всасывание ионов натрия происходит также путем превращения в дистальных отделах канальцев щелочной соли фосфата натрия (Na2HP04) в кислую соль дифосфата натрия (NaHaPO4).
3. Образование солей аммония: аммиак, образующийся в дистальных отделах почечных канальцев из глутамина и других аминокислот, способствует выделению Н-ионов и обратному всасыванию ионов натрия; происходит образование NH4Cl вследствие соединения аммиака с HCl. Интенсивность образования аммиака, необходимого для нейтрализации сильной НСl, тем больше, чем выше кислотность мочи.
Таблица 3
Основные параметры КОС
(среднее значение в артериальной крови)
40 мм. рт. ст.
(парциальное давление СО2 в плазме крови)
Этот компонент непосредственно отражает дыхательный компонент в регуляции КОС (КЩР).
(гиперкапния) наблюдается при гиповентиляции, что характерно для дыхательного ацидоза.
↓(гипокапния) наблюдается при гипервентиляции, что характерно для респираторного алкалоза. Однако, изменения рСО2 могут быть и следствием компенсации со стороны метаболических нарушений КОС. Чтобы отличить эти ситуации друг от друга, требуется рассмотреть рН и [НСО3-]
95 мм. рт. ст. (парциальное давление в плазме крови)
СБ или SB
СБ – стандартный бикарбонат плазмы т.е. [НСО3-] ↓ - при метаболическом ацидозе, или при компенсации дыхательного алкалоза.
При метаболическом алкалозе или при компенсации дыхательного ацидоза.
Дополнительные индексы
БО или ВВ
(base buffers )
Буферные основания . Это сумма всех анионов цельной крови, принадлежащих буферным системам.
ДО или BD
(base deficiency)
Дефицит оснований . Это разница между практической и должной величиной БО при метаболическом ацидозе. Определяется как количество оснований, которое необходимо добавить к крови, чтобы довести ее рН до нормы (при рСО2 = 40 мм. рт. ст. tо = 38оC)
ИО или ВЕ
(basе excess)
Избыток оснований . Это разница между фактической и должной величинами БО при метаболическом алкалозе.
В норме, условно говоря, не существует ни дефицита, ни избытка оснований (ни ДО, ни ИО). Фактически, это выражается в том, что разница должного и фактического БО находится в нормальных условиях в пределах ±2,3 мэкв/л. Выход этого показателя из коридора нормы типичен для метаболических нарушений КОС. Аномально высокие значения характерны для метаболического алкалоза . Аномально низкие – для метаболического ацидоза .
Лабораторно-практическая работа
Опыт 1. Сравнение буферной ёмкости сыворотки крови и фосфатной БС
Отмерить мл
N колбы
Сыворотка крови (разведение 1:10)
Фосфатная БС (разведение 1:10), рН = 7,4
Фенолфталеин (индикатор)
2.Буферные системы крови. Роль буферных систем в поддержании гомеостаза pH. Кислотно-основное состояние. Понятие об ацидозе и алкалозе.
В организме кислотообразование преобл.над образованием соед-й основного характера.
Источники Н+ в организме:
1.летучая кислота Н2СО3, в сутки образ.10-20тыс.ммоль СО2 при окислении белков, Ж, У.
2.нелетучие кислоты в сут.образ. 70 ммоль:
Фосфорная при расщепл.орг.фосфатов(нуклеотидов, ФЛ, фосфопротеидов)
Серная, соляная при окислении Б
3.орг.к-ты:молочная, кетоновые тела, ПВК и др.
рН удерживается на слабощелочном уровне благодаря участию буф.с-м и физиологическому контролю(выделит.ф.почек и дыхат.ф.легких)
Уравнение Гендерсона-Хессельбаха: pH = pKa + lg [акц.протонов]/[донор протонов].
(Соль) (кислота)
Любая буф.с-ма состоит из сопряженной кислотно-основной пары: донор+акцептор протонов.
Буферная емкость: зависит от абсолютных концентраций компонентов буфера.
Бикарбонатная.
10%буф.емкости крови.
При нормальном значении рН крови (7,4) концентрация ионов бикарбоната НСО 3 в плазме крови превышает концентрацию СО 2 примерно в 20 раз. Бикарбонатная буферная система функционирует как эффективный регулятор в области рН 7,4.
Механизм действия данной системы заключается в том, что при выделении в кровь относительно больших количеств кислых продуктов водородные ионы Н + взаимодействуют с ионами бикарбоната НСО 3 – , что приводит к образованию слабодиссоциирующей угольной кислоты Н 2 СО 3 . Последующее снижение концентрации Н 2 СО 3 достигается в результате ускоренного выделения СО 2 через легкие в результате их гипервентиляции (напомним, что концентрация Н 2 СО 3 в плазме крови определяется давлением СО 2 в альвеолярной газовой смеси).
Если в крови увеличивается количество оснований, то они, взаимодействуя со слабой угольной кислотой, образуют ионы бикарбоната иводу. При этом не происходит сколько-нибудь заметных сдвигов в величине рН. Кроме того, для сохранения нормального соотношения между компонентами буферной системы в этом случае подключаются физиологические механизмы регуляции кислотно-основногоравновесия: происходит задержка в плазме крови некоторого количества СО 2 в результате гиповентиляции легких.
NaHCO3 + H+ → Na+ + H2CO3
Реабс.в почках ↓карбоангидраза
↓увеличение вентиляции легких
Фосфатная представляет собой сопряженную кислотно-основную пару, состоящую из иона Н 2 РО 4 – (донорпротонов) и иона НРО 4 2– (акцептор протонов):
Фосфатная буферная
система составляет
всего лишь 1% от буферной емкости крови.
Во
внеклеточной жидкости,
в том числе в крови,
соотношение [НРО 4 2– ]:
[Н 2 РО 4 – ]
составляет 4:1. Буферное действие фосфатной
системы основано на возможности
связывания водородных ионов ионами НРО 4 2– с
образованием Н 2 РО 4 – (Н + +
+ НРО 4 2– ->
Н 2 РО 4 –),
а также ионов ОН – с ионами Н 2 РО 4 – (ОН – +
+ Н 2 Р
О 4 – ->
HPO 4 2– +
H 2 O).
Буферная пара (Н 2 РО 4 – –НРО 4 2–)
способна оказывать влияние при изменениях
рН в интервале от 6,1 до 7,7 и может
обеспечивать определенную буферную
емкость внутриклеточной жидкости,
величина рН которой в пределах 6,9–7,4.
В крови максимальная
емкость фосфатного буфера проявляется
вблизи значения рН 7,2.
1 и 2 – выводящие.
Белковая имеет меньшее значение для поддержания КОР в плазме крови, чем другие буферные системы. Белки образуют буферную систему благодаря наличию кислотно-основных групп в молекуле белков: белок–Н + (кислота, донорпротонов) и белок (сопряженное основание, акцептор протонов). Белковая буферная система плазмы крови эффективна в области значений рН 7,2–7,4.
Гемоглобиновая буферная система – самая мощная буферная система крови. Она в 9 раз мощнее бикарбонатного буфера; на ее долю приходится 75% от всей буферной емкости крови. состоит из неионизированного гемоглобина ННb (слабая органическая кислота, донорпротонов) и калиевой соли гемоглобина КНb (сопряженное основание, акцептор протонов). Точно так же может быть рассмотрена оксигемоглобиновая буферная система. Система гемоглобина и система оксигемоглобина являются вза-имопревращающимися системами и существуют как единое целое.
Механизм действия:
В тканях: Н2О + СО2(карбоангидраза) ->Н2СО3->Н+ + НСО3-(диффундирует в плазму крови)
КНвО2 ->КНв + 4О2
КНв + 2Н+ -> ННв + 2К+ (К-гемоглобин неитрализует ионы Н+)
В легких: ННв + 4О2 ->2Н+ + НвО2
2Н+ + НвО2 + 2К+ + 2НСО3- ->КНвО2 + 2Н2СО3(карбоангидраза) ->Н2О + 2СО2
рН и концентрация СО2 влияют на освобождение и связывание О2 немоглобином – эфф.Бора.
Повышение концентрации протонов, СО2, способствует освобождению О2, а повышение концентрации О2 стимулирует высвобождение СО2 и протонов.
Концентрация ионов водорода [Н+] в клетках и жидкостях определяет их кислотно-щелочное равновесие (КЩР). КЩР оценивают по величине рН - водородному показателю: рН - отрицательный десятичный логарифм молярной в среде.
Реакция крови - слабощелочная: рН = 7,35-7,55 - одна из жёстких констант гомеостаза. Сдвиг рН на 0,3-0,4 смертелен.
В организме образуются почти в 20 раз больше кислых продуктов, чем щелочных. В связи с этим необходимы системы нейтрализации избытка соединений с кислыми свойствами. Регуляция КЩР осуществляется как химическими механизмами, так и физиологическими.
1. Химические механизмы регуляции протекают на молекулярном уровне. К ним относятся буферные системы крови и щелочной резерв.
Буферные системы. Принцип действия буферных систем основан на замене сильной кислоты слабой, при диссоциации которых образуется меньше ионов Н+, и, следовательно, рН понижается в меньшей степени. Буферные системы крови более устойчивы к действию кислот, чем оснований.
1.Гемоглобиновая буферная система. На ее долю приходится 75% буферной емкости цельной крови. Эта система включает восстановленный гемоглобин и калиевую соль восстановленного гемоглобина (ННb/КНb). Буферные свойства системы обусловлены тем, что КНb как соль слабой кислоты отдает ион К+ и присоединяет при этом ион Н+, образуя слабодиссоциированную кислоту:
H+ + KHb = K+ + HHb
Величина рН крови, притекающей к тканям, благодаря восстановленному гемоглобину, способному связывать СО2 и Н+-ионы, остается постоянной. В этих условиях ННb выполняет функции основания. В легких гемоглобин ведет себя как кислота (оксигемоглобин ННbО2 является более сильной кислотой, чем СО2), что предотвращает защелачивание крови.
2. Карбонатная буферная система (H2CO3/NaHCO3) по своей мощности занимает второе место. Ее функции осуществляются следующим образом: NaHCO3 диссоциирует на ионы Na+ и НСО3-. Если в кровь поступает кислота более сильная, чем угольная, то происходит обмен ионами Na+ с образованием слабодиссоциированной и легко растворимой угольной кислоты, что предотвращает повышение концентрации ионов Н+ в крови. Увеличение же концентрации угольной кислоты приводит к ее распаду (это происходит под влиянием фермента карбоангидразы, находящегося в эритроцитах) на Н2О и СО2. Последний поступает в легкие и выделяется в окружающую среду. Если в кровь поступает основание, то она реагирует с угольной кислотой, образуя натрия гидрокарбонат (NaНСО3) и воду, что опять-таки препятствует сдвигу рН в щелочную сторону.
В цельной крови 75 % буферных свойств обеспечивает гемоглобиновая система, а в плазме - карбонатная.
3. Фосфатная буферная система образована натрия дигидрофосфатом и натрия гидрофосфатом (NaH2PO4/Na2HPO4). Первое соединение ведет себя как слабая кислота, второе — как соль слабой кислоты. При увеличении уровня кислот в плазме крови увеличивается концентрация H2CO3 и уменьшается содержание NaHCO3:
H2CO3 + Na2HPO4 = NaHCO3 + NaH2PO4
В результате избыток угольной кислоты устраняется, а уровень NaHCO3 возрастает. Избыточное количество NaH2PO4 удаляется с мочой, благодаря чему соотношение NaH2PO4/Na2HPO4 не изменяется.
Фосфатная буферная система способствует поддержанию карбонатной буферной системы.
4. Белковая буферная система: белки - полимеры аминокислот СООН - R - NH3
Белковая буферная система (белок-COOH/белок-COONa) - главный внутриклеточный буфер. Белки являются амфотерными соединениями и могут нейтрализовывать как кислоты, так и щёлочи (в кислой среде ведут себя как основания, а в основной — как кислоты).
Наиболее мощные буферные системы у животных, биологически приспособленных к тяжёлой мышечной работе. В процессе обмена веществ в организме образуется больше кислотных продуктов, чем щелочных, поэтому в крови имеется запас щелочных веществ - щелочной резерв.
Щелочной резерв крови - это сумма всех щелочных веществ крови, главным образом бикарбонатов натрия и калия. Величина щелочного резерва определяется по тому количеству СО2, которое может быть связано 100 мл крови при напряжении СО2, равному 40 мм рт. ст. - газометрический способ определения щелочного резерва крови. Титрометрический способ основан на определении кислотной емкости крови (см. Лабораторные методики).
Величины щелочного резерва крови, определяемого титрометрическим и газометрическим способами
| Вид животного | Щёлочной резерв, мг % | Щёлочной резерв, мл СО2 |
| КРС | 460- 540 | 55 |
| Овца | 460- 520 | 48 |
| Лошадь | 470- 620 | 57 |
| Собака | - | 50 |
2. Физиологические механизмы регуляция КЩР включают сложные нейрогуморальные механизмы, затрагивающие функции различных систем органов (почки, потовые и слюнные железы, печень, поджелудочная железа, ЖКТ).
Важная роль в поддержании постоянства рН крови отводится нервной регуляции. При этом преимущественно раздражаются хеморецепторы сосудистых рефлексогенных зон, импульсы от которых поступают в продолговатый мозг и другие отделы ЦНС, что рефлекторно включает в реакцию периферические органы — почки, легкие, потовые железы, желудочно-кишечный тракт и др., деятельность которых направлена на восстановление исходной величины рН. Так, при сдвиге рН в кислую сторону почки усиленно выделяют с мочой анион Н2РО4-. При сдвиге рН крови в щелочную сторону увеличивается выделение почками анионов НРО2- и НСО3-. Потовые железы способны выводить избыток молочной кислоты, а легкие — СО2.
При некоторых физиологических и патологических реакциях возможно увеличение содержания в крови кислых или щелочных продуктов. Сдвиг КЩР в кислую сторону называется ацидозом, а в щелочную - алкалозом.
По величине сдвига КЩР ацидозы и алкалозы бывают компенсированными и некомпенсированными:
- компенсированный ацидоз или алкалоз - pH крови не изменяется, но уменьшается запас буферной ёмкости;
- некомпенсированный ацидоз или алкалоз - уменьшается запас буферной ёмкости и изменяется реакция крови. Алкалозы встречаются реже.
По механизмам возникновения ацидозы и алкалозы могут быть газовыми и негазовыми.
Газовый ацидоз - развивается при затруднении дыхания, скученном содержании животных, содержании в плохо вентилируемых помещениях. В крови накапливается СО2, превращающийся в угольную кислоту.
Негазовый, или метаболический ацидоз - при накоплении в крови не угольной, а других кислот - молочной, фосфорной и др. Развивается при:
- тяжёлой мышечной работе,
- при скармливании большого количества кислого силоса;
- расстройстве жирового и отчасти белкового обмена, ведущего к накоплению в организме ацетоновых тел, что наблюдается при сахарном диабете, голодании, лихорадочных процессах;
-- нарушении выделительной функции почек, ввиду чего уменьшается удаление из организма кислых фосфатов и в тканях задерживаются недоокисленные продукты;
- сердечной недостаточности и патологии дыхательного аппарата, которые приводят к резким нарушениям окислительных процессов в организме и накоплению в нем недоокисленных продуктов.
Газовый алкалоз - при усиленной вентиляции лёгких, кровь содержит меньше СО2 и защелачивается.
Негазовый алкалоз связан с поступлением в организм большого количества щелочных солей, в этом случае увеличивается резервная щелочность крови;
- при уменьшении содержания в тканях ионов хлора, что бывает при больших потерях желудочного сока, вызванных повторными рвотами.
