Физиология кислотно-основного состояния организма
Введение и терминология. Процессы обмена веществ протекают с оптимальной скоростью лишь при физиологическом рН, и поэтому данный параметр строго регулируется. Даже небольшие, но длительные сдвиги кислотно-основного состояния могут нарушать рост и развитие организма, а острые и сильные изменения рН могут приводить к смерти. Поддержание кислотно-основного равновесия зависит от состояния почек и легких , а также от внутри- и внеклеточных буферных систем.
В норме рН колеблется в пределах 7,35-7,45. Этот показатель представляет собой отрицательный логарифм концентрации водородных ионов. Иными словами, между рН и концентрацией водородных ионов существует обратная зависимость: при снижении концентрации водородных ионов рН возрастает, а при увеличении - снижается. При рН 7,4 концентрация водородных ионов составляет 40 нмоль/л, т.е. более чем в 1000000 раз меньше нормальной концентрации ионов натрия в крови (140 мэкв/л). Несмотря на свою относительно низкую концентрацию, ионы водорода легко взаимодействуют с другими соединениями, особенно с белками, изменяя их функцию. Поэтому рН должен удерживаться в нормальных пределах.
Кислоты служат донорами водородных ионов (Н+), а основания их акцепторами. Кислоты (HA) могут диссоциировать (обратимо!) в ион водорода и основный ион (A):
НA <-> Н+ + A-.
Сильные кислоты легко диссоциируют и лишь в небольшом количестве присутствуют в форме НA. Слабые кислоты диссоциируют слабо, т.е. высвобождают не все водородные ионы, оставаясь в основном в форме НA. Прямые и обратные реакции находятся в равновесии. При добавлении кислоты в систему происходит диссоциация НA до тех пор, пока не установится новое равновесие между концентрациями Н+ и A-. Добавление ионов водорода снижает концентрацию A- и увеличивает концентрацию НA. Добавление A- снижает концентрацию ионов водорода и опять-таки увеличивает концентрацию НA.
Соединения, которые предохраняют организм от резких изменений рН при увеличении уровня кислот или оснований, называются буферными . Учитывая крайне низкую в норме концентрацию водородных ионов, уже небольшое дополнительное их количество в отсутствие буферов могло бы резко снижать рН. Буферные соединения препятствуют этому, связывая дополнительные ионы водорода:
A- + Н+ -> НA.
Увеличение концентраций водородных ионов сдвигает реакцию вправо. Точно так же при увеличении концентрации оснований буферные системы препятствуют повышению рН, высвобождая ионы водорода: НA -> A- + Н+
Снижение концентрации водородных ионов при добавлении оснований сдвигает последнюю реакцию вправо. Буферы действуют в качестве либо акцепторов, либо доноров ионов водорода. При избытке кислот они выступают в роли оснований, а при избытке оснований - в роли кислот. Сильная кислота, например соляная (НСl), не может служить буфером, поскольку при любых физиологических значениях рН находится в диссоциированной форме и хлорид не способен играть роль основания, принимающего протон (ион водорода). Оптимальные буферы - это слабые кислоты и основания, так как буфер лучше всего осуществляет свою функцию, когда он диссоциирован на 50% (т.е. 1/2 его присутствует в форме НA, 1/2 - в форме A-. Значение рН, при котором буфер диссоциирован на 50%, есть рК буфера . Эффективность буфера (буферная емкость) определяется его концентрацией и рК. При рН меньшем, чем рК буфера, в системе присутствует больше НA, чем A-. Когда же рН превышает рК, в системе присутствует больше A-, чем НA.
Физиологические буферные системы. Имеются различные буферные системы, защищающие организм от сильных изменений рН. Их разделяют на бикарбонатный буфер и небикарбонатный буфер . В клинике обычно исследуют только бикарбонатную систему. Она основана на обратимом взаимодействии углекислоты (СО2) и бикарбоната (НСО3) :
СО2 + Н2О <-> Н+ + НСО3-.
Двуокись углерода играет роль кислоты, поскольку при ее взаимодействии с водой высвобождается ион водорода, а бикарбонат выступает в роли сопряженного основания, принимающего ион водорода; рК бикарбонатного буфера составляет 6,1. Связь между рН, рК и концентрациями кислоты и ее сопряженного основания выражается уравнением Гендерсона-Гассельбальха . Это уравнение действительно для любых буферных систем. Для бикарбоната и СО2 уравнение Гендерсона- Гассельбальха имеет следующий вид:
рН = 6,1 + log [НСО3-]/[СО2].
В данном уравнении три переменные величины: РН, [НСО3-] и [СО2], и если две из них известны, то третью можно вычислить. При использовании этого уравнения важно, чтобы концентрация двуокиси углерода и бикарбоната выражалась в одних и тех же единицах. В клинике напряжение СО2 в крови выражают в мм рт.ст., и прежде чем подставить эту величину в уравнение, ее нужно умножить на константу растворимости, равную 0,03 ммоль/л/мм рт.ст. После математических преобразований уравнение Гендерсона-Гассельбальха принимает следующий вид:
[Н+] = 24 х Рсо2/[НСО3-].
Если концентрация водородных ионов нормальна (40 нмоль/л при рН 7,4), а концентрация бикарбоната составляет 24 мэкв/л, то Рсо2, которое в данном уравнении выражено в мм рт.ст., должно равняться 40. Таким образом, концентрацию ионов водорода и, следовательно, рН можно определить по отношению Рсо2 к концентрации бикарбоната.
Эта буферная система весьма эффективна, поскольку концентрация бикарбоната в организме довольно высока (24 мэкв/л). Кроме того, в отличие от других буферных систем, она является открытой, т.е. когда концентрация двуокиси углерода в крови увеличивается, избыток СО2 выводится через легкие. При появлении в организме дополнительной кислоты происходит следующая реакция:
Н+ + НСО3- -> СО2 + Н2О.
Если бы система была закрытой, то уровень СО2 должен был бы возрастать, приводя к ускорению обратной реакции:
СО2 + Н2О -> Н+ + НСО3-,
и нарастание количества ионов водорода могло бы превысить буферную емкость бикарбоната Однако избыток CO2 выводится легкими, и поэтому обратная реакция не ускоряется, а буферная емкость бикарбоната увеличивается. При повышении уровня оснований легкие выводят меньше двуокиси углерода, препятствуя падению ее содержания в крови. В отсутствие изменений концентрации СО2 буферная емкость бикарбоната резко возрастает.
К небикарбонатным буферам относятся белки , фосфат и кости . Белковые буферные системы состоят из внеклеточных белков (главным образом альбумина ) и внутриклеточных белков , включая гемоглобин . Эффективность белковых буферных систем определяется, в основном, присутствием в них аминокислоты гистидина , боковая цепь которого может связывать и высвобождать ионы водорода. Величина рК гистидина в некоторой степени зависит от его положения в молекуле белка, но в среднем составляет примерно 6,5. Это достаточно близко к нормальному рН (7,4), чтобы сделать гистидин эффективным буфером. Гемоглобин и альбумин содержат соответственно 34 и 16 остатков гистидина.
Фосфат может связывать до трех атомов водорода, т.е. существует в формах РО4---, НРО4-- и Н2Р04- или Н3РО4. Однако при физиологическом рН преобладает либо НРО4--, либо Н2Р04-. Н2Р04- - это кислота, НРО4-- - ее сопряженное основание:
Н2Р04- <-> Н+ + НРО4--.
Величина рК этой реакции составляет 6,8, что придает данной буферной системе высокую эффективность. Однако относительно малая концентрация фосфата во внеклеточном пространстве ограничивает его общую буферную емкость, и он играет в этом отношении меньшую роль, чем альбумин . В моче же фосфат присутствует в гораздо большей концентрации и выполняет здесь важную буферную функцию. Во внутриклеточном пространстве основная часть фосфата ковалентно связана с органическими молекулами (например, с АТФ), но он все же остается эффективным буфером.
Важную буферную роль выполняют кости . Костная ткань состоит из таких соединений, как бикарбонат натрия и карбонат кальция , и при ее растворении высвобождаются основания, способные нейтрализовать кислоты. Если это продолжается долго, то плотность кости уменьшается. Напротив, формирование кости, сопровождаясь поглощением оснований, уменьшает их содержание в крови.
Хотя функция клеток зависит от рН внутриклеточной среды, измерять этот параметр нет необходимости, поскольку он меняется параллельно внеклеточному рН. Тем нe менее рН в клетках обычно изменяется слабее, чем в крови, так как внутриклеточные системы обладают большей буферной емкостью.
Смотрите также:
