Буферные растворы (БР) сохраняют устойчивость буферных свойств в определенном интервале значений рН, то есть обладают определенной буферной емкостью. За единицу буферной емкости условно принимают емкость такого буферного раствора, для изменения рН которого на единицу требуется добавить 1 моль сильной кислоты или сильной щелочи на 1 л раствора.

Буферная емкость находится в прямой зависимости от концентрации БР: чем концентрированнее раствор, тем больше его буферная емкость; разведение БР сильно уменьшает буферную емкость и лишь незначительно изменяет рН.

Тканевая жидкость, кровь, моча и другие биологические жидкости являются буферными растворами. Благодаря действию их буферных систем поддерживается относительное постоянство водородного показателя внутренней среды, обеспечивающее полноценность метаболических процессов (см. Гомеостаз ). Наиболее важной буферной системой является бикарбонатная система крови .

Бикарбонатная буферная система

NaHCO 3 = 18

Поступающая в кровь в результате обменных процессов кислота (HA) вступает в реакцию с гидрокарбонатом натрия:

НА + NаHCO 3  NaA + H 2 CO 3 (1)

Это чисто химический процесс, вслед за которым включаются физиологические регуляторные механизмы.

1. Двуокись углерода возбуждает дыхательный центр, объем вентиляции увеличивается и СО 2 выводится из организма.

2. Результатом химической реакции (1) является уменьшение щелочного резерва крови, восстановление которого обеспечивается работой почек: образующаяся в результате реакции (1) соль (NаА) поступает в почечные канальцы, клетки которых непрерывно секретируют свободные водородные ионы и обменивают их на натрий:

NaА + H +  HA + Na +

Образующиеся в канальцах почек нелетучие кислые продукты (HA) выводятся с мочой, а натрий реабсорбируется из просвета почечных канальцев в кровь, восстанавливая тем самым щелочной резерв (NаHCO 3).

Особенности бикарбонатного буфера

1. Самый быстродействующий.

2. Нейтрализует как органические, так и неорганические кислоты, поступающие в кровь.

3. Взаимодействуя с физиологическими регуляторами pH, обеспечивает выведение летучих (легкие) и нелетучих кислот, а также восстанавливает щелочной резерв крови (почки).

Фосфатная буферная система

Na 2 HPO 4 = 4

Эта система нейтрализует поступающие в кровь кислоты (НА) благодаря их взаимодействию с гидрофосфатом натрия.

НА + Na 2 HPO 4  NaА + NaH 2 PO 4

Образующиеся вещества в составе фильтрата поступают в почечные канальцы, где гидрофосфат натрия и натриевая соль (NaА) взаимодействуют с водородными ионами, а дигидрофосфат выделяется с мочой, освобождающийся натрий реабсорбируется в кровь и восстанавливает щелочной резерв крови:

Na 2 HPO 4 + H +  NaH 2 PO 4 + Na +

NaA + H +  HA + Na +

Особенности фосфатного буфера

1. Емкость фосфатной буферной системы мала в связи с небольшим количеством в плазме фосфатов.

2. Основное назначение фосфатная буферная система приобретает в почечных канальцах, участвуя в восстановлении щелочного резерва и выведении кислых продуктов.

Гемоглобиновая буферная система

KHb KHbO 2

HHb (венозная кровь) HHbO 2 (артериальная кровь)

Образующаяся в процессе обмена веществ двуокись углерода поступает в плазму, а затем в эритроцит, где под влиянием фермента карбоангидразы при взаимодействии с водой образуется угольная кислота:

СО 2 + Н 2 О  Н 2 СО 3

В тканевых капиллярах гемоглобин отдает свой кислород тканям, а восстановленная слабая соль гемоглобина вступает в реакцию с еще более слабой угольной кислотой:

KНb + H 2 CO 3  KHCO 3 + HHb

Таким образом, происходит связывание водородных ионов гемоглобином. Проходя через капилляры легких, гемоглобин соединяется с кислородом и восстанавливает свои высокие кислотные свойства, поэтому реакция с Н 2 СО 3 протекает в обратном направлении:

ННbO 2 + KHCO 3  KHbO 2 + H 2 CO 3

Двуокись углерода поступает в плазму, возбуждает дыхательный центр и выводится с выдыхаемым воздухом.

Особенности гемоглобинового буфера

1. Большая емкость.

2. Взаимодействие с дыхательной системой обеспечивает выведение углекислого газа из организма.

Белковая буферная система

Белки, главным образом альбумины, являются амфотерными электролитами, кислотные свойства их обусловлены содержанием кислых групп СООН, NH 2 , которые являются донорами протонов. Основные свойства обеспечиваются содержанием основных групп СОО  , NH 3 + .

Поступление кислот и щелочей в кровь вызывает следующие реакции:

(NH 3 +) n (NH 3 +) n

Pt + mH +  Pt

(COO ) m (COOH) m

(NH 3 +) n (NH 2) n

Pt + nOH -  Pt + Н 2 О

(COO ) m (COO ) m

Особенности белкового буфера

1. Емкость белкового буфера невелика.

2. Он не имеет прямой связи с физиологическими регуляторами pH крови.

3. В кислой среде белковый буфер связывает водородные ионы, а при изменении условий отдает их, так как его буферные свойства определяются амфотерными свойствами белка.

В эритроцитах действуют все четыре буферные системы, в плазме - три (отсутствует гемоглобиновая система), а в клетках различных тканей основная роль в поддержании рН принадлежит белковой (точнее имидазол-протеиновой) и фосфатной системам.

Буферные системы крови более устойчивы к действию кислот, чем оснований. Основные соли слабых кислот, содержащиеся в крови, образуют так называемый щелочной резерв. Величина щелочного резерва определяется по тому количеству CO 2 , которое может быть связано 100 мл крови при напряжении CO 2 , равному 40 мм рт. ст.

Кроме того, в поддержании постоянства рН крови участвует нервная система. Рефлекторно через активацию хеморецепторов сосудистых рефлексогенных зон стимулируются центры нервной системы, включающие в реакцию почки и легкие. За счет работы почек и легких из крови удаляются CO 2 , избыток солей, кислот, оснований (щелочей).

Физиологические особенности внутренней среды

в детском возрасте

Внутренняя среда новорожденных относительно устойчива. Минеральный состав плазмы, ее осмотическая концентрация и рН мало отличаются от крови взрослого человека.

Устойчивость гомеостаза у детей достигается интеграцией трех факторов: составом плазмы, особенностями метаболизма растущего организма и деятельностью одного из основных органов, регулирующего постоянство состава плазмы  почек.

Любые отклонения от хорошо сбалансированного пищевого режима несут в себе опасность нарушения гомеостаза. Например, если ребенок съедает больше пищи, чем это соответствует тканевому усвоению, то концентрация мочевины, в крови резко повышается до 1 г/л и более (в норме 0,4 г/л), так как почка еще не готова выводить повышенное количество мочевины.

Нервная и гуморальная регуляция гомеостаза новорожденных в связи с незрелостью ее отдельных звеньев (рецепторов к биологически активным веществам и гормонам, нервных центров головного мозга и т.д.) оказывается менее совершенной. В связи с этим одной из особенностей гомеостаза в этот период являются более широкие индивидуальные колебания состава крови, ее осмотической концентрации, рН, солевого состава и др.

Вторая особенность гомеостаза новорожденных заключается в том, что возможности противодействовать сдвигам основных показателей внутренней среды у них, в несколько раз менее эффективны, чем у взрослых. Например, даже обычное кормление вызывает у ребенка снижение осмотической концентрации плазмы, в то время как у взрослых даже прием большого количества жидкой пищи (до 2% от веса тела) не вызывает никаких отклонений от этого показателя. Это происходит потому, что механизмы, которые противодействуют сдвигам основных констант внутренней среды, у новорожденных еще не сформировались, а поэтому в несколько раз менее эффективны, чем у взрослых.

Основные термины:

Гомеостаз

Гематокрит

Буферная емкость

Эта система состоит из бикарбонат-иона (НСО3–) и угольной кислоты (Н2СО3), буферная мощность составляет 65% от общей буферной емкости крови.
В норме отношение HCO3– к H2CO3 равно 20: 1.
Работа этой системы неразрывно и тесно связана с легкими.

При поступлении в кровь более сильной кислоты, чем угольная, ионы бикарбоната натрия взаимодействуют с ней, происходит реакция обмена и образуется соответствующая соль и угольная кислота.
В результате, благодаря связыванию введенной в систему кислоты, концентрация ионов водорода значительно понижается.

NaНСО3 + Н-Анион > H2CO3 + Na+ + Анион–

При поступлении оснований они реагируют с угольной кислотой и образуют соли бикарбонатов:

H2CO3 + Катион-ОН > Катион+ + HCO3– + Н2О

Возникающий при этом дефицит угольной кислоты компенсируется уменьшением выделения CO2 легкими (и в этот момент мы сами не замечаем как задерживаем дыхание на какое-то время . А еще лучше в этом плане работает регулярная практика задержки дыхания в пранаяме - кумбхака. ALG )

При накоплении угольной кислоты в крови не происходит параллельного значимого увеличения концентрации H2CO3-, т.к. угольная кислота очень плохо диссоциирует (к вопросу о безопасности практики кумбхаки в параняме. Как только дыхание восстанавливается, излишек угольной кислоты тут же удаляется. ALG )

Благодаря работе бикарбонатного буфера концентрация водородных ионов понижается по двум причинам:

Угольная кислота является очень слабой кислотой и плохо диссоциирует

В крови легких благодаря присутствию в эритроцитах фермента карбоангидразы, угольная кислота быстро расщепляется с образованием CO2, удаляемого с выдыхаемым воздухом:

H2CO3> Н2О + СО2^

(и тоже, получается, сто очков в плюс к дыхательной практике, ведь если легкие работают не на полный объем - как это у нас столь распространено - СО2 выделяется не в полном объеме, и эффективность работы этого важнейшего буфера существенно снижается. ALG )

Кроме эритроцитов, значительная активность карбоангидразы отмечена в эпителии почечных канальцев, клетках слизистой оболочки желудка, коре надпочечников и клетках печени, в незначительных количествах – в центральной нервной системе, поджелудочной железе и других органах.

Фосфатная буферная система

Фосфатная буферная система составляет около 1-2% от всей буферной емкости крови и до 50% буферной емкости мочи.
Она образована дигидрофосфатом (NaH2PO4) и гидрофосфатом (Na2HPO4) натрия.

Первое соединение слабо диссоциирует и ведет себя как слабая кислота, второе обладает щелочными свойствами.
В норме отношение HРO42– к H2РO4– равно 4: 1.
При взаимодействии кислот (ионов водорода) с двузамещенным фосфатом натрия (Na2HPO4) натрий вытесняется, образуется натриевая соль дигидрофосфата (H2PO4–). В результате, благодаря связыванию введенной в систему кислоты, концентрация ионов водорода значительно понижается.

HPO42– + Н-Анион > H2PO4– + Анион–

При поступлении оснований избыток ОН– групп нейтрализуется имеющимися в среде Н+, а расход ионов Н+ восполняется повышением диссоциации NaH2PO4.

H2PO4– + Катион-ОН > Катион+ + HPO42– + Н2О

Основное значение фосфатный буфер имеет для регуляции pH интерстициальной жидкости и мочи.
В моче роль его состоит в сбережении бикарбоната натрия за счет дополнительного иона водорода (по сравнению с NaHCO3) в составе выводимого NaH2PO4:

Na2HPO4 + Н2СО3 > NaH2PO4 + NaНСО3

Кислотно-основная реакция мочи зависит только от содержания дигидрофосфата, т.к. бикарбонат натрия в почечных канальцах реабсорбируется.

Белковая буферная система

Буферная мощность этой системы составляет 5% от общей буферной емкости крови.

Белки плазмы, в первую очередь альбумин, играют роль буфера благодаря своим амфотерным свойствам.
В кислой среде подавляется диссоциация СООН-групп, а группы NH2 связывают избыток Н+, при этом белок заряжается положительно.
В щелочной среде усиливается диссоциация карбоксильных групп, образующиеся Н+ связывают избыток ОН–-ионов и pH сохраняется, белки выступают как кислоты и заряжаются отрицательно.

Гемоглобиновая буферная система

Наибольшей мощностью обладает гемоглобиновый буфер, который можно рассматривать как часть белкового. На него приходится до 30% всей буферной емкости крови.
В буферной системе гемоглобина существенную роль играет гистидин, который содержится в белке в большом количестве.
Изоэлектрическая точка гистидина равна 7,6, что позволяет гемоглобину легко принимать и легко отдавать ионы водорода при малейших сдвигах физиологической рН крови (в норме 7,35-7,45).
Данный буфер представлен несколькими подсистемами:

Пара ННb/ННbО2 является основной в работе гемоглобинового буфера.
Соединение ННbО2 является более сильной кислотой по сравнению с угольной кислотой, HHb - более слабая кислота, чем угольная. Установлено, что ННbО2 в 80 раз легче отдает ионы водорода, чем ННb.

Присоединение ионов водорода к остатку гистидина дезоксигемоглобина выглядит так:

Работа гемоглобинового буфера неразрывно связана с дыхательной системой (к вопросу о значении пранаямы! - ALG)

Фосфатная буферная система составляет около 1-2% от всей буферной емкости крови и до 50% буферной емкости мочи.

Она образована дигидрофосфатом (NaH2PO4) и гидрофосфатом (Na2HPO4) натрия.

Первое соединение слабо диссоциирует и ведет себя как слабая кислота, второе обладает щелочными свойствами.

В норме отношение HРO42– к H2РO4– равно 4: 1.

При взаимодействии кислот (ионов водорода) с двузамещенным фосфатом натрия (Na2HPO4) натрий вытесняется, образуется натриевая соль дигидрофосфата (H2PO4–). В результате, благодаря связыванию введенной в систему кислоты, концентрация ионов водорода значительно понижается.

HPO42– + Н-Анион > H2PO4– + Анион–

При поступлении оснований избыток ОН– групп нейтрализуется имеющимися в среде Н+, а расход ионов Н+ восполняется повышением диссоциации NaH2PO4.

H2PO4– + Катион-ОН > Катион+ + HPO42– + Н2О

Основное значение фосфатный буфер имеет для регуляции pH интерстициальной жидкости и мочи.

В моче роль его состоит в сбережении бикарбоната натрия за счет дополнительного иона водорода (по сравнению с NaHCO3) в составе выводимого NaH2PO4:

Na2HPO4 + Н2СО3 > NaH2PO4 + NaНСО3

Кислотно-основная реакция мочи зависит только от содержания дигидрофосфата, т.к. бикарбонат натрия в почечных канальцах реабсорбируется.

Белковая буферная система

Буферная мощность этой системы составляет 5% от общей буферной емкости крови.

Белки плазмы, в первую очередь альбумин, играют роль буфера благодаря своим амфотерным свойствам.

В кислой среде подавляется диссоциация СООН-групп, а группы NH2 связывают избыток Н+, при этом белок заряжается положительно.

В щелочной среде усиливается диссоциация карбоксильных групп, образующиеся Н+ связывают избыток ОН–-ионов и pH сохраняется, белки выступают как кислоты и заряжаются отрицательно.

Гемоглобиновая буферная система

Наибольшей мощностью обладает гемоглобиновый буфер, который можно рассматривать как часть белкового. На него приходится до 30% всей буферной емкости крови.

В буферной системе гемоглобина существенную роль играет гистидин, который содержится в белке в большом количестве.

Изоэлектрическая точка гистидина равна 7,6, что позволяет гемоглобину легко принимать и легко отдавать ионы водорода при малейших сдвигах физиологической рН крови (в норме 7,35-7,45).

Данный буфер представлен несколькими подсистемами:

Пара ННb/ННbО2 является основной в работе гемоглобинового буфера.

Соединение ННbО2 является более сильной кислотой по сравнению с угольной кислотой, HHb - более слабая кислота, чем угольная. Установлено, что ННbО2 в 80 раз легче отдает ионы водорода, чем ННb.

Присоединение ионов водорода к остатку гистидина дезоксигемоглобина выглядит так:

Работа гемоглобинового буфера неразрывно связана с дыхательной системой (к вопросу о значении пранаямы! - ALG)

В легких после удаления СО2 (угольной кислоты) происходит защелачивание крови.

При этом присоединение О2 к дезоксигемоглобину H-Hb образует кислоту ННbО2 более сильную, чем угольная. Она отдает свои ионы Н+ в среду, предотвращая повышение рН:

Н-Hb + O2 > > НbO2 + Н+

В капиллярах тканей постоянное поступление кислот (в том числе и угольной) из клеток приводит к диссоциации оксигемоглобина НbO2 (Эффект Бора) и связыванию ионов Н+ в виде Н-Hb:

НbO2+ Н+ > > Н-Hb + O2

Длительная стабилизация сдвигов рН

Это так называемая физиологическая компенсация нарушений кислотно-основного состояния, которая происходит прежде всего за счет работы дыхательной системы и почек, и в меньшей степени - за счет печени и костной системы.

Дыхательная система

Легочная вентиляция обеспечивает удаление угольной кислоты, образованной при функционировании бикарбонатной буферной системы. По скорости реакции на изменение рН – это вторая система после буферных систем.

Дополнительная вентиляция легких приводит к удалению СО2, а значит и Н2СО3, и повышает рН крови, что компенсирует закисление межклеточной жидкости и плазмы крови продуктами метаболизма, в первую очередь, органическими кислотами.

Сдвиги значений рО2 не являются сильно значимыми для изменения легочной вентиляции. Только снижение рО2 до 8 кПа в артериальной крови (норма 11,04-14,36 кПа или 83-108 мм рт.ст.) приводит к увеличению активности дыхательного центра.

Более существенным фактором для активации дыхательной системы является концентрация ионов Н+.

Накопление ионов Н+ в крови уже через 1-2 минуты вызывает максимальную (для данной их концентрации) стимуляцию дыхательного центра, повышая его активность до 4-5 раз, что приводит к снижению рСО2 до 10-15 мм рт.ст.

И, наоборот, снижение кислотности крови понижает активность дыхательного центра на 50-75%, рСО2 при этом способен возрастать до 60 мм рт.ст и выше.

Костная ткань

Это наиболее медленно реагирующая система. Механизм ее участия в регуляции рН крови состоит в возможности обмениваться с плазмой крови ионами Са2+ и Na+ в обмен на протоны Н+. Происходит растворение гидроксиапатитных кальциевых солей костного матрикса, освобождение ионов Са2+ и связывание ионов НРО42– с Н+ с образованием дигидрофосфата, который уходит с мочой.

Параллельно при снижении рН (закисление) происходит поступление ионов H+внутрь остеоцитов, а ионов калия – наружу.

Печень

Существенную, но пассивную роль в регуляции кислотно-основного состояния крови берет на себя печень, в которой происходит метаболизм низкомолекулярных органических кислот (молочная кислота и др). Кроме этого, кислые и щелочные эквиваленты выделяются с желчью.

Почки

Развитие почечной реакции на смещение кислотно-основного состояния происходит в течение нескольких часов.

Регуляция концентрации ионов H+ осуществляется опосредованно, через потоки ионов Na+, движущихся по градиенту концентрации, и через перераспределение потоков ионов К+ и Н+, которые выходят из эпителиоцитов (секретируются) в обмен на ионы Na+.

Также для обеспечения электронейтральности внутри- и внеклеточной жидкости при реабсорбции ионов Na+ усиливается реабсорбция ионов Cl–, однако их не хватает, поэтому возникает необходимость в усилении реабсорбции и дополнительном синтезе ионов HCO3– (и вот тут-то как раз и играет свою роль сода - бикарбонат натрия NaHCO3. Если мы поставляем организму дополнительное количество ионов HCO3 посредством соды, мы существенно снижаем нагрузку с почек и помогаем им в работе - ALG)

В почках активно протекают три процесса, связанных с уборкой кислых эквивалентов. Благодаря этим процессам рН мочи в состоянии снижаться до 4,5-5,2:

1. Реабсорбция бикарбонатных ионов HCO3–.

2. Ацидогенез – удаление ионов Н+ с титруемыми кислотами (в основном в составе дигидрофосфатов NaH2PO4).

3. Аммониегенез – удаление ионов Н+ в составе ионов аммония NH4+.

Реабсорбция бикарбонат-ионов

В проксимальных канальцах ионы Na+ мигрируют в цитозоль эпителиальных клеток в силу концентрационного градиента, который создается на базолатеральной мембране при работе фермента Na+,К+ АТФазы.

В обмен на ионы Na+ эпителиоциты канальцев активно секретируют в канальцевую жидкость ионы водорода.

Ионы HCO3– первичной мочи и секретируемые ионы Н+ образуют угольную кислоту Н2СО3.

В гликокаликсе эпителиоцитов фермент карбоангидраза катализирует распад угольной кислоты на СО2 и воду.

В результате возникает градиент концентрации углекислого газа между просветом канальцев и цитозолем и СО2 диффундирует в клетки.

Внутриклеточная карбоангидраза использует пришедший СО2 и образует угольную кислоту, которая диссоциирует.

Ионы НСО3– транспортируются в кровь, ионы Н+ – секретируются в мочу в обмен на ионы Na+. Таким образом, объем реабсорбции НСО3– полностью соответствует секреции ионов Н+.

Процесс реабсорбции бикарбонат-ионов

В проксимальных канальцах происходит реабсорбция 90% профильтрованного НСО3–.

В петле Генле и дистальных канальцах реабсорбируется оставшееся количество карбонат-иона. Всего в почечных канальцах реабсорбируется более 99% от фильтруемых бикарбонатов.

(Из всего вышесказанного становится очевидным, что дополнительное поступление в систему бикарбонат-ионов благодаря приему бикарбоната натрия - соды - снижает нагрузку на эту сторону работы почек. Чем больше свободных бикарбонат-ионов имеется в системе, тем меньше зависимость организма от этого процесса их реабсорбции. Соответственно, почки не сильно напрягаются в этом плане, в результате чего мы на выходе имеем мочу с более щелочной реакцией! Известно же, что у новорожденных показатель мочи близок к 8...ALG)

Ацидогенез

В процессе ацидогенеза в сутки с мочой выделяется 10-30 ммоль кислот, называемых титруемыми кислотами.

Фосфаты, являясь одной из этих кислот, играют роль буферной системы в моче.

Роль этой системы состоит экскреции кислых эквивалентов без потерь бикарбонат-ионов за счет дополнительного иона водорода в составе выводимого NaH2PO4 (по сравнению с NaHCO3):

Na2HPO4 + Н2СО3 > NaH2PO4 + NaНСО3

После того как бикарбонат натрия в почечных канальцах реабсорбируется, кислотность мочи зависит только от связывания ионов Н+с HPO42– и содержания дигидрофосфата.

Процесс ацидогенеза в почечных канальцах

Хотя в крови соотношение HРO42– : H2РO4– равно 4: 1, в клубочковом фильтрате оно меняется на 1: 9.

Происходит это из-за того, что менее заряженный H2РO4– лучше фильтруется в клубочках.

Связывание ионов Н+ ионами HРO42– на протяжении всего канальца приводит к увеличению количества H2РO4–.

В дистальных канальцах соотношение может достигать 1: 50.

Аммониегенез

Аммониегенез происходит на протяжении всего почечного канальца, но более активно идет в дистальных отделах – дистальных канальцах и собирательных трубочках коркового и мозгового слоев. Глутамин и глутаминовая кислота, попадая в клетки канальцев, быстро дезаминируются ферментами глутаминаза и глутаматдегидрогеназа с образованием аммиака.

Являясь гидрофобным соединением, аммиак диффундирует в просвет канальца и акцептирует ионы Н+ с образованием аммонийного иона.

Источником ионов H+ первичной мочи в проксимальных отделах канальца является Na+, H+-антипорт. В дистальных отделах, в отличие от проксимальных, секреция ионов Н+ происходит с участием Н+-АТФазы, локализованной на апикальной мембране вставочных клеток.

Буферные системы крови обеспечивают постоянную величину рН при поступлении в нее кислых или основных продуктов. Они является первой «чертой охраны», которая поддерживает рН, пока продукты, которые поступили, не будут выведены или использованы в метаболических процессах.
В крови есть четыре буферные системы: гемоглобиновая, бикарбонатная а фосфатная, белковая. Каждая система состоит из двух соединений - слабой кислоты и соли этой кислоты и сильного основания. Буферный эффект обусловлен связыванием и нейтрализацией ионов, поступающих соответствующим составом буфера. В связи с тем что в естественных условиях организм чаще встречается с поступлением в кровь недоокисленных продуктов обмена, антикислотные свойства буферных систем преобладают по сравнению с антиосновными.

Бикарбонатный буфер крови

Бикарбонатный буфер крови достаточно мощный и наиболее мобильный. Роль его в поддержании параметров КОР крови увеличивается за счет связи с дыханием. Система состоит из Н 2 С0 3 и NaHC0 3 , что находятся друг от друга в соответствующей пропорции. Принцип ее функционирования заключается в том, что при поступлении кислоты, например молочной, которая сильнее, чем угольная, основной резерв обеспечивает процесс обмена ионами с образованием слабодисоциируемой угольной кислоты. Угольная кислота восполняет пул, который уже в крови, и сдвигает реакцию H 2 C0 3 C0 2 + Н 2 0 вправо.
Особенно активно этот процесс осуществляется в легких, где образованный С02 сразу выводится. Возникает своеобразная открытая система бикарбонатного буфера и легких, благодаря которой напряжение свободного С02 в крови поддерживается на постоянном уровне. Это в свою очередь обеспечивает поддержание рН в рови на постоянном уровне.
В случае поступления в кровь основы происходит реакция ее с кислотой. Связывание НСО 3 -приводит к дефициту С0 2 и уменьшение выделения его легкими. При этом увеличивается основной резерв буфера, что компенсируется за счет роста выделение NaCl почками.

Буферная система гемоглобина

Буферная система гемоглобина самая мощная.
На ее долю приходится более половины буферной емкости крови. Буферные свойства гемоглобина обусловлены соотношением восстановленного гемоглобина (ННЬ) и его калиевой соли (КНЬ). В слабощелочных растворов, каким является кровь, гемоглобин и оксигемоглобин имеют свойства кислот и является донаторами Н + или К + Эта система может функционировать самостоятельно, но в организме она тесно связана с предыдущей. Когда кровь находится в тканевых капиллярах, откуда поступают кислые продукты, гемоглобин выполняет функции основания:
КНЬ + Н2С03 -- ННЬ + КНС03.
В легких гемоглобин, напротив, ведет себя как кислота предотвращает защелощение крови после выделения углекислоты. Оксигемоглобин - сильнее кислота, чем дезоксигемоглобином. Гемоглобин, который освобождается, в тканях от О 2 , приобретает большую способность к связыванию, вследствие чего венозная кровь может связывать и накапливать С0 2 без существенного сдвига рН.

Белки плазмы

Белки плазмы благодаря способности аминокислот к ионизации также выполняют буферную функцию (около 7% буферной емкости крови). В кислой среде они ведут себя как основания, связывающие кислоты. В основном - наоборот, белки реагируют как кислоты, связывая основы. Эти свойства белков определяются боковыми группами. Особенно выражены буферные свойства в конечных карбокси-и аминогрупп цепей.

Фосфатная буферная система

Фосфатная буферная система (около 5% буферной емкости крови) образуется неорганическими фосфатами крови. Свойства кислоты проявляет одноосновный фосфат (NaH 2 P0 4), а основания - двухосновный фосфат (Na 2 HP0 4). Функционируют они по такому же принципу, как и бикарбонаты. Однако в связи с низким содержанием в крови фосфатов емкость этой системы невелика.

Для характеристики КОР крови введен ряд понятий. Буферная емкость - величина, определяемая отношением между количеством Н + или ОН-, добавленных к раствору, степени изменения его рН: чем меньше смещение рН, тем больше емкость. Сумма анионов всех слабых кислот называется буферными основаниями (ВВ). Содержание их в крови составляет около 48 ммоль / л. Отклонение по концентрации буферных оснований от нормы обозначается термином «излишек основ» (BE). То есть идеальным является BE около 0. В норме возможны колебания в пределах от -2,3 до +2,3 ммоль/л. Смещение в положительную сторону называется алкалозом , а в отрицательный - ацидозом . В случае алкалоза рН крови становится выше 7,43, в случае ацидоза - ниже 7,36.

Механизм регуляции КОР крови в целостном организме заключается в совместном действии внешнего дыхания, кровообращения, выделения и буферных систем. Так, если в результате повышенного образования Н 2 С0 3 или других кислот будут появляться излишки анионов, то они сначала нейтрализуются буферными системами. Параллельно интенсифицируется дыхание и кровообращение, что приводит к увеличению выделения углекислого газа легкими. Нелетучие кислоты в свою очередь выводятся с мочой или потом.

Наоборот, при увеличении содержания в крови основ снижается выделение С0 2 легкими (гиповентиляция) и Н + с мочой. Подключение систем дыхания, кровообращения и выделения к поддержанию КОР обусловлено соответствующими механизмами регуляции функции этих органов. Наконец, в норме рН крови может изменяться лишь на короткое время. Естественно, что при поражении легких или почек функциональные возможности организма по поддержанию КОР на должном уровне снижаются. В случае появления в крови большого количества кислых или основных ионов только буферные механизмы (без помощи систем выделения) не удержат рН на константной уровне. Это приводит к ацидозу или алкалозу.

text_fields

text_fields

arrow_upward

К физико-химическим механизмам кислотно-щелочного гомеостазиса относятся буферные системы внутренней среды организма и тканевые гомеостатические обменные процессы.

Буферные системы внутренней среды организма

text_fields

text_fields

arrow_upward

Основными бу­ферными системами внутриклеточной, межклеточной жидкости и крови являются бикарбонатная, — фосфатная и белковая буферная система, причем из последней для крови особо выделяют гемогло­биновый буфер.

Бикарбонатная буферная система

text_fields

text_fields

arrow_upward

Наибольшее значение для поддержания рН межклеточной жидкости и плазмы крови имеет бикарбонатная буферная система. Угольная кислота в плазме и межклеточной жидкости присутствует в четырех формах: физически растворенного угле­кислого газа (СО 2), угольной кислоты (Н 2 СО,), аниона карбо­ната (СО 3 2-) и аниона бикарбоната (НСО 3). В условиях физио­логического диапазона рН больше всего содержание бикарбона­та, примерно в 20 раз меньше содержание растворенного угле­кислого газа и угольной кислоты, а ион карбоната практически отсутствует. Бикарбонат представлен в виде натриевых и кали­евых солей. Как уже указывалось выше, константа диссоциации (К) есть отношение:

Анион НСО 3 является общим как для кислоты, так и для соли, а соль диссоциирует сильнее, поэтому этот анион, образуясь из бикарбоната, будет подавлять диссоциацию угольной кислоты, т.е. практически все количество аниона НСО 3 в бикарбонатном буфере происходит из NaHCO 3 . Следовательно:

(формула Гендерсона, где К - константа диссоциации угольной кислоты). В связи с использованием отрицательного логарифма кон­центрации, формула, названная уравнением Гендерсона-Гассгльбаха, для бикарбонатного буфера приняла выражение:

При физиологических значениях рН отношение концентрации углекислоты к бикарбонату составляет 1/20 (рис.13.1).

Рис.13.1. Кислотно-щелочное состояние.
Весы изображают соотношение кислота/основание или дыхатель-ная/недыхательная компоненты уравнения Гендерсона-Гассельбаха в норме (1/20) и его сдвиги, ведущие к смещению в сторону алкалоза или ацидоза.

В условиях взаимодействия бикарбонатного буфера с кислотами происходит их нейтрализация с образованием слабой угольной кис­лоты. Углекислый газ, появляющийся при ее разложении, удаляется через легкие. Избыток оснований, взаимодействуя с бикарбонатным буфером, связывается с угольной кислотой и приводит в конченом счете к образованию бикарбоната, излишки которого удаляются, в свою очередь, из крови через почки.

Фосфатная буферная система

text_fields

text_fields

arrow_upward

Другой буферной системой плазмы крови является Она образована одно- и двузамещенными сло­ями фосфорной кислоты, где однозамещенные соли являются сла­быми кислотами, а двузамещенные - имеют заметные щелочные свойства. Уравнение для фосфатного буфера следующее:

Двухосновной фосфатной соли содержится в плазме в 4 раза больше, чем кислой одноосновной. Общим анионом в этой системе является НРО 4 . Ее буферная емкость меньше, чем бикарбонатной, т.к. и фосфатов в крови содержится меньше, чем бикарбонатов. Принцип действия фосфатного буфера аналогичен бикарбонатному, хотя роль его в крови мала и, в основном, сводится к поддержанию концентрации бикарбоната при реакции буфера с избытком угольной кислоты. В то же время в клетках и, особенно, при почечной компенсации кислотно-щелочного сдвига, значение фосфатного бу­фера велико.

Белковая буферная система

text_fields

text_fields

arrow_upward

Третьей буферной системой крови, клеток и межклеточной жид­кости являются белковая. Белки выполняют буферную роль из-за их амфотерности, а характер их диссоциации зависит от природы белка и актуальной реакции внутренней среды. При этом глобулины об­ладают более выраженной кислой диссоциацией, т.е. отщепляют больше протонов, чем гидроксильных ионов, и соответственно иг­рают большую роль в нейтрализации щелочей. Белки, содержащие много диаминокислот, диссоциируют больше как щелочи, и поэтому в большей мере нейтрализуют кислоты. Буферная емкость белков плазмы крови сравнительно с бикарбонатной системой невелика, однако в тканях ее роль может быть очень высокой.

Гемоглобиновая буферная система

text_fields

text_fields

arrow_upward

Наибольшую буферную емкость крови обеспечивает гемоглобиновая буферная система. Содержащаяся, в гемоглобине человека амино­кислота гистидин (до 8,1%) имеет в своей структуре как кислые (СООН), так и основные (NH 2) группы. Константа диссоциации у гемоглобина ниже, чем рН крови, поэтому гемоглобин диссоциирует как кислота. Оксигемоглобин является более сильной кислотой, чем редуцированный гемоглобин. При диссоциации оксигемоглобина в капиллярах тканей с отдачей кислорода появляется большее коли­чество щелочно- реагирующих солей гемоглобина, способных связы­вать Н-ионы, поступающие из кислот тканевой жидкости, напри­мер, угольной кислоты. Оксигемоглобин обычно представляет собой калиевую соль. При взаимодействии кислот с калиевой солью оксигемоглобина образуется соответствующая калиевая соль кислоты и свободный гемоглобин со свойствами очень слабой кислоты. Гемог­лобин в тканевых капиллярах связывает углекислый газ за счет аминогрупп, образуя карбгемоглобин:

НВ- NH 2 +CO 2 → НВ- NHCOOH.

Для кислотно-щелочного гомеостазиса важное значение имеет также обмен анионов СГ и НСО 3 между плазмой и эритроцитами. Если в плазме крови увеличивается концентрация углекислоты, то образующийся при диссоциации NaCl анион СГ входит в эритро­циты, где образует КС1, а ион Na + , для которого мембрана эрит­роцита непроницаема соединяется с избытком НСО 3 , образуя би­карбонат натрия, восполняя его убыль в бикарбонатном буфере. При снижении концентрации углекислоты в бикарбонатном буфере про­исходит обратный процесс - анионы С1 выходят из эритроцитов и соединяются с избытком Na + , освободившимся из бикарбоната, этим следовательно предотвращается ощелачивание плазмы.

Эффективность буферных систем

text_fields

text_fields

arrow_upward

Буферные системы плазмы крови и эритроцитов имеют разную относительную эффективность. Так, эффективность буферных сис­тем эритроцитов выше (за счет гемоглобинового буфера), чем плаз­мы крови (табл. 13.2).

Известно уменьшение концентрации Н-ионов в направлении клетка - межклеточная среда - кровь. Это свидетельствует о том, что наибольшую буферную емкость имеет кровь, а наименьшую внутриклеточная среда. Образуемые в клетках при метаболизме кис­лоты поступают в межклеточную жидкость тем легче, чем больше их образуется в клетках, так как избыток Н-ионов повышает прони­цаемость клеточной мембраны. В буферных свойствах межклеточной среды играет роль соединительная ткань, особенно коллагеновые волокна, известные как «ацидофильные». На минимальное накопле­ние кислот они реагируют набуханием, поглощая очень быстро кислоту и освобождая от Н-ионов межклеточную жидкость. Эта способность коллагена объясняется свойством абсорбции.

Тканевые гомеостатические обменные процессы

text_fields

text_fields

arrow_upward

Кислотно-щелочное состояние поддерживается в пределах физиологичес­ких значений рН и путем метаболических превращений в тка­нях. Это достигается за счет совокупности биохимических и физико-химических процессов, которые обеспечивают:

1) поте­рю кислотных и щелочных свойств продуктов обмена веществ,
2) их связывание в средах, препятствующих диссоциации,
3) образование новых, более легко нейтрализуемых и выводимых из организма соединений.

Так, например, органические кислоты могут соединяться с продуктами белкового обмена (бензойная кислота с глицином) и тем самым терять кислые свойства. Избыток молочной кислоты ресинтезируется в гликоген, кетоновых тел - в высшие жирные кислоты и жиры. Неорганические кислоты нейтрализуются солями калия, натрия, освобождающимися при дезаминировании аминокислот, ам­миаком, образующим аммонийные соли. В опытах на собаках с удаленными почками (для исключения их роли) показано, что после внутривенного введения кислоты 43% ее количества нейтрализуется бикарбонатом плазмы крови, 36% нейтрализуются за счет клеточного натрия, а 15% - за счет выходящего из клеток калия. Основания нейтрализуются преимущественно молочной кислотой, образуемой из гликогена при ощелачивании микроокружения клеток. В поддержании внутриклеточного рН играет роль обмен про­изводных имидазола и его изомера пиразола. Особенности пя-тичленного кольца этих соединений определяют их амфотерные свойства, т.е. способность быть одновременно и донатором, и акцептором протонов. Имизадол способен очень быстро обра­зовывать соли с сильными кислотами и щелочными металлами. Наиболее распространенным соединением имидазола является α-аминокислота гистидин, участвующая в кислотном и основ­ном катализе. Сильные кислоты и щелочи могут растворяться в липидах, обла­дающих низкой диэлектрической константой, что препятствует их диссоциации. Наконец, органические кислоты могуг подвергаться окислению с образованием летучей слабой угольной кислоты.