Кислотно-основное состояние

Кислотно-основное состояние является одним из важнейших компонентов гомеостаза.

Метаболическая активность организма обеспечивается четкой регуляцией кислотно-основного равновесия, отражением которого является рН внеклеточных жидкостей. Возбудимость мембран, активность ферментных систем, течение химических реакциий зависят от баланса кислот и оснований. Оптимальный режим функционирования физиологических процессов реализуется только в ограниченном диапазоне колебаний значений рН. Многие факторы, в том числе и патологические, могут изменять концентрацию ионов Н⁺ во внеклеточных жидкостях.

Взаимодействие кислот и оснований и их влияние на рН крови описывает уравнение Гендерсона-Гассельбаха:

где К – константа диссоциации, которая определяет способность отдавать протоны.

Так как К и соответственно рК постоянны при определенной температуре, то

рН – один из самых «жестких» параметров крови. Его колебания крайне незначительны: от 7,36 до 7, 44; рН артериальной крови составляет 7,35-7,45; венозной – 7,32 – 7,42. Отклонение рН за эти границы рассматривается как нарушение КОС. Даже слабо выраженные изменения этого показателя приводят к существенным сдвигам окислительно-восстановительных процессов, изменению активности ферментов, проницаемости клеточных мембран и другим нарушениям, опасным для нормального функционирования организма. Жизнеспособность человека сохраняется при рН крови от 6,8 до 7,7.

Концентрация ионов водорода поддается влиянию многочисленных факторов:

1. экзогенных (пищевые продукты);

2. эндогенному образованию физиологических продуктов обмена веществ, как результат жизнедеятельности клетки или образования молочной кислоты при мышечной деятельности;

3. эндогенному образованию нефизиологических кислот, например, при хроническом брожении в кишечнике вследствие дисбактериоза, или в результате постоянного патологического образования кислоты при дисфункции органов, например, при диабете;

4. выведению кислот и щелочей в результате обменной деятельности почек и кишечника;

5. выделению углекислоты через легкие;

6. эндогенному физиологическому образованию большого количества соляной кислоты в обкладочных клетках желудка, что оказывает доминирующее влияние на КОС организма;

7. уровеню оксигенации крови и состоянию гемодинамики;

8. интенсивности метаболических процессов и др.

Химия кислот и оснований

Понятие кислоты и основания было введено в медицинскую практику Bronsted в 1923 году. В соответствии с предложенным им определением кислотой является вещество, способное отдавать ион водорода, а основанием – вещество, способное присоединять ион водорода. При добавлении кислоты к воде, она обратимо диссоциирует, образуя Н⁺ и анионы (Аˉ); например, Н⁺ + Аˉ. Степень до которой диссоциирует кислота и действует как донор иона Н⁺ определяется силой или слабостью кислоты. Сильные кислоты, такие как серная кислота, диссоциируют полностью; слабые кислоты, такие как уксусная кислота, диссоциируют только в ограниченных пределах. Вышесказанное верно и для оснований и их способности диссоциировать и акцептировать ион водорода. Большинство кислот и оснований организма - слабые кислоты и основания; наиболее значимые - угольная кислота (Н₂СО₃), которая является слабой кислотой, образующейся из двуокиси углерода (СО₂), и бикарбонат (НСО₃ˉ ), который является слабым основанием.

Кислотность или щелочность раствора зависит от концентрации в нем протонов, причем концентрация может изменяться на несколько порядков величин. Концентрация Н⁺ ионов в жидкостях организма не сопоставима с таковой для других ионов. Например, концентрация ионов натрия (Na⁺) приблизительно в 1 миллион раз выше, чем концентрация Н⁺. Поскольку концентрация ионов водорода очень низка, (в норме концентрация водородных ионов в циркулирующей крови при рН=7,4 составляет 4010^-9 ммоль/л), то ее обычно выражают в единицах рН (power Hydrogene – сила водорода). рН представляет собой отрицательный десятичный логарифм (р) концентрации ионов Н⁺ в миллиэквивалентах на литр; значение рН, равное 7,0 соответствует концентрации ионов Н⁺ в 10ˉ⁷ (0,0000001) эквивалентов на литр (mEq/L).

рН обратно связан с концентрацией ионов Н⁺; низкий рН свидетельствует о высоком содержании ионов Н⁺, высокий рН – о низком уровне ионов Н⁺.

Точно определить рН во внутриклеточной жидкости невозможно; по данным, полученным с помощью большинства существующих методов, эта величина в среднем составляет 6,9. Концентрация ионов водорода неравномерна не только в цитоплазме, но и в пределах органелл одной клетки.

Константа диссоциации (К) используется для описания степени, до которой кислота и основание диссоциируют. рК_а - отрицательный десятичный логарифм константы диссоциации для кислоты. Он равен значению рН, при котором кислота диссоциирована на 50%. Использование отрицательного десятичного логарифма для констант диссоциации позволяет выражать рН в положительных значениях. Каждая кислота в водном растворе имеет определенный рК_, незначительно варьирующий при изменении температуры и рН. При нормальной температуре тела, рК_а для НСО₃ˉ буферной системы внеклеточной жидкости составляет 6,1.

Все кислоты, основания и соли в растворах диссоциируют на разноименно заряженные ионы. Определенная группа веществ может диссоциировать в зависимости от рН среды. Эти вещества называют амфотерными электролитами или амфолитами. В щелочном растворе они ведут себя как кислоты и являются донорами Н⁺, в кислом растворе способны связывать Н⁺ и проявляют свойства оснований. К амфолитам относятся белки крови человека. Реакция крови человека слабощелочная, поэтому белки ведут себя как слабые кислоты.

Обмен кислот и оснований в организме тесно связан с обменом воды и электролитов. Все эти процессы объединены законом электронейтральности и изоосмолярности. Электронейтральность плазмы сохраняется благодаря постоянному равновесию катионов и анионов. Это означает, что изменение концентрации одного из ионов неизбежно влечет за собой адекватные сдвиги в концентрации других ионов (катионов или анионов). Например, уменьшение содержания хлора приводит либо к увеличению концентрации другого аниона (чаще бикарбоната), либо к соответствующему уменьшению (выведению из организма) катиона натрия.

Рис.1. Ионный состав плазмы.

Для плазмы крови закон электронейтральности проявляется в том, что концентрация катионов и анионов равна, составляя соответственно по 155 ммоль/л. Следовательно, суммарно Росм плазмы равно 310 ммоль/л. Из общего количества катионов плазмы на долю натрия приходится 142 ммоль/л. В группе анионов 103 ммоль/л составляют ионы хлора (слабое основание). Бикарбонат и белки представляют собой сильные буферные основания. На их долю приходится соответственно 27 моль/л и 15 ммоль/л.

В норме концентрация бикарбоната (НСО₃ˉ) в плазме крови в 20 раз выше, чем угольной кислоты (Н₂СО₃). Именно при таком соотношении НСО₃ˉ и Н₂СО₃ сохраняется рН, равный 7,4. Если изменяется концентрация бикарбоната или углекислоты, меняется их соотношение и происходит сдвиг рН в кислую (ацидоз) или щелочную (алкалоз) сторону. В этих условиях нормализация рН происходит за счет действия ряда компенсаторных регуляторных механизмов, восстанавливающих прежнее соотношение кислот и оснований в плазме крови, а также в различных органах и тканях.

Разность между измеряемыми концентрациями основных катионов (натрий и калий) и анионов (хлор и бикарбонат) плазмы называется анионным интервалом (АИ). Анионный интервал – показатель, в значительной степени отражающий количество образованных и/или задержанных в организме нелетучих кислот.

В норме АИ составляет 164 мэкв/л. Увеличение АИ чаще всего связано с накоплением органических кислот (ацидоз) или с гиперпротеинемией. Уменьшение АИ происходит при гипопротеинемии. АИ – косвенная анионов в сыворотке, которые не изменяются при рутинном лабораторном анализе.

Рис.2. Анионный интервал при ацидозе вследствие избытка органических кислот и избытке хлора. Неизмеряемые анионы, такие как фосфаты, сульфаты и органические кислоты, увеличивают АИ вследствие замещения гидрокарбоната. Это подразумевает отсутствие изменения содержания Na⁺.

Существует несколько вариантов определения АИ, в частности, без добавления в формулу концентрации ионов калия. В этом случае АИ в норме будет равен 124 мэкв/л.

При метаболическом ацидозе органические анионы накапливаются одновременно с эквивалентным количеством ионов водорода. Так, при диабетическом кетоацидозе накапливаются ацетоацетат и -оксимасляная кислота, при лактоацидозе накапливается лактат. При этом электронейтральность поддерживается за счет снижения количества бикарбоната. Существенное увеличение АИ наблюдается при отравлениях метанолом, этиленгликолем. Большинство видов метаболического ацидоза возникает в результате снижения уровня бикарбоната плазмы без соответствующего повышения концентрации ионов хлора, что сопровождается повышением АИ.

В то же время при почечном канальцевом ацидозе, связанном с потерей бикарбоната, происходит повышение в плазме ионов хлора и АИ будет в пределах нормы. Поэтому расчет АИ имеет диагностическое значение. Хотя в клинических условиях причину метаболического ацидоза можно установить с помощью обычных анализов, тем не менее расчет АИ может быть полезен при анализе комплексных нарушений КОС.

Метаболические кислоты и продукция бикарбонатов

Кислоты постоянно образуются в организме как побочные продукты метаболических процессов. Физиологически эти кислоты подразделяются на две группы: летучая кислота Н₂СО₃ и все другие нелетучие кислоты.

Различие между двумя типами кислот связано с тем, что Н₂СО₃ находится в равновесии с летучим газом СО₂, который выводится из организма через дыхательные пути. Концентрация Н₂СО₃, таким образом, определяется внешним дыханием. Нелетучие кислоты (например, серная, соляная, фосфорная) не элиминируются через легкие, амортизируются в организме белками или внеклеточными буферами, такими как НСО₃ˉ , а затем экскретируются почками.

Двуокись углерода и продукция бикарбонатов

Обмен веществ в организме приводит к образованию приблизительно 15.000 ммоль СО₂ ежедневно. Двуокись углерода транспортируется в циркуляции в трех формах: соединенной с гемоглобином, растворенной СО₂ и ионов НСО₃ˉ. Суммарно растворенная СО₂ и ионы НСО₃ˉ составляют примерно 77% двуокиси углерода, транспортируемой во внеклеточной жидкости (без учета СО₂, переносимой гемоглобином). Сама СО₂ не является кислотой, но очень небольшое ее количество взаимодействует с водой в плазме крови с образованием Н₂СО₃.

Реакция, в ходе которой образуется Н₂СО₃ из СО₂ и воды, катализируется карбоангидразой - ферментом, содержащимся в больших количествах в эритроцитах, клетках эпителия почечных канальцев и ряде других тканей организма. Присутствие карбоангидразы приблизительно в 5000 раз увеличивает скорость реакции взаимодействия между СО₂ и водой. При отсутствии этого фермента, реакция оказывается столь медленной, что не имеет для организма никакой значимости.

Поскольку практически невозможно измерить уровень Н₂СО₃, для расчета рН обычно используют определение растворенной СО₂. Содержание Н₂СО₃ в крови можно вычислить, умножая парциальное давление СО₂ (РСО₂) на коэффициент ее растворимости, который составляет 0,03. Это означает, что концентрация Н₂СО₃ в артериальной крови, в норме имеющей РСО₂ приблизительно 40 мм рт.ст., составляет 1,2 mEq/L (40×0,03=1,2).

Продукция некарбоновых кислот и оснований

Основными продуктами метаболизма в клетке являются кислоты, которые диссоциируют с освобождением ионов водорода, но благодаря включению буферных систем закисления внутриклеточной cреды не происходит. Результатом биохимических процессов в тканях является образование летучей угольной кислоты и ряда нелетучих кислот, таких, как серная кислота, мочевая кислота (при расщеплении нуклеопротеидов), свободные жирные кислоты различной молекулярной массы, неорганические фосфаты. Основным источником серной кислоты служит метаболизм метионина и цистина, входящих в состав белков пищи. В рационе питания количество готовых кислот или щелочей обычно невелико, но может содержаться достаточное количество потенциальных кислот (лизин) или щелочей (цитрат).

Метаболизм белков и других веществ, поступающих с пищей, приводит к образованию некарбоновых кислот и оснований. При окислении серосодержащих аминокислот (например, метионина, цистеина) образуется серная кислота. Окисление аргинина и лизина приводит к появлению соляной кислоты, окисление фосфор-содержащих нуклеиновых кислот – фосфорной кислоты. При неполном окислении глюкозы образуется молочная кислота, а при неполном окислении жиров - кетоновые кислоты. Основным источником оснований является обмен аминокислот, таких как аспартат и глутамат, и метаболизм некоторых органических анионов (например, цитрата, лактата, ацетата). Продукция кислот обычно превышает продукцию оснований, с ежедневным итоговым эффектом избытка, составляющим приблизительно 2 ммоль/кг веса нелетучих кислот. Результатом потребления вегетарианской пищи, содержащей большое количество органических анионов, является доминирующее образование оснований.

Расчет величины рН

Процесс диссоциации кислот в водных растворах согласно закону сохранения масс можно выразить следующим образом:

где К – константа диссоциации.

Зависимость рН от соотношения кислоты и основания определяется уравнением Гендерсона- Гессельбаха:

Величину рН плазмы можно рассчитать, используя уравнение Гендерсона-Гессельбаха. В этом уравнении для вычисления рН используется отрицательный логарифм константы диссоциации и логарифм отношения НСО₃ˉ к СО₂ (НСО₃ˉ / СО₂):

Следует отметить, что это отношение точнее, чем абсолютные значения для бикарбоната и растворенной СО₂, определяющее рН (например, при отношении 20:1, рН=7,4). Значения рН в плазме уменьшаются, когда отношение меньше, чем 20:1, и возрастают, когда отношение больше, чем 20:1.

рН может сохраняться в относительно нормальных пределах до тех пор, пока изменения НСО₃ˉ сопровождаются подобными изменениями СО₂, или наоборот. Например, рН может оставаться на уровне 7,4 при повышении содержания НСО₃ˉ в плазме от 24 до 48 mEq/L при соответствующем увеличении уровня СО₂. рН может также оставаться равным 7,4 при снижении НСО₃ˉ с 24 до 12 mEq/L при редукции уровня СО₂ до половины от нормального.