Механизмы регуляции pH

Вклад дыхательной системы. Одна из функций дыхательной системы состоит в удалении СО₂ - конечного продукта метаболизма, образующегося в больших количествах. В состоянии покоя организм выделяет 230 мл СО₂/мин, или около 15 тыс. ммоль в сутки. В то же время при удалении из крови «летучего» ангидрида угольной кислоты в ней исчезает примерно эквивалентное число ионов Н ⁺ . Таким образом, дыхание играет чрезвычайно

Глава 22. Транспорт газов крови 621

важную роль в поддержании кислотно-щелочного равновесия.

Особое значение для компенсации сдвигов в кислотно-щелочном равновесии имеет регуляция дыхания. Так, если в результате нарушений обмена кислотность крови увеличивается, то повышение содержания Н⁺ приводит к возрастанию легочной вентиляции (гипервентиляции); при этом молекулы СО₂, образующиеся в реакции HCO₃⁻ + Н⁺ → Н₂СО₃ → → Н₂О + СО₂, выводятся в большом количестве, и pH возвращается к нормальному уровню. Напротив, увеличение содержания оснований сопровождается гиповентиляцией; в результате напряжение СО₂ и концентрация ионов Н⁺ возрастают, и сдвиг реакции крови в щелочную сторону частично или полностью компенсируется.

Роль почек. Кроме легких в регуляции кислотнощелочного равновесия участвуют почки. Их функция состоит в удалении нелетучих кислот, главным образом серной кислоты. Почки должны удалять в сутки 40-60 ммоль ионов Н ⁺ , накапливающихся за счет образования нелетучих кислот. Если содержание таких кислот возрастает, то при нормальном функционировании почек выделение Н⁺ с мочой может значительно увеличиваться. В результате pH крови возвращается к нормальному уровню. Напротив, при повышении pH выведение почками Н ⁺ уменьшается, что также способствует поддержанию кислотно-щелочного равновесия.

Процесс выделения ионов Η ⁺ осуществляется в почечных канальцах при взаимодействии канальцевого фильтрата, клеток канальцев и капиллярной крови. В канальцевой моче большая часть ионов Н⁺ связывается с НРО²₄⁻ и ΝΗ₃, и лишь небольшое их количество выделяется с мочой в виде свободных протонов. Происходящие при этом химические превращения и обменные процессы приводят к обратному поступлению ионов HCO₃⁻ в кровь.

Ацидоз и алкалоз. При ряде патологических состояний в крови накапливаются такие большие количества кислот или оснований, что описанные выше регуляторные механизмы (буферные системы крови, дыхательная и выделительная системы) уже не могут поддерживать pH на постоянном уровне. В зависимости от того, в какую сторону изменяется реакция крови, различают два типа нарушений кислотно-щелочного равновесия. Понижение pH крови по сравнению с нормальным уровнем (pH < 7,37) называется ацидозом, а повышение (pH > 7,43)алкалозом. Каждый из этих двух типов подразделяется еще на несколько разновидностей в зависимости от причины сдвига pH. Такие сдвиги могут наступать при изменениях вентиляции легких (поражения легких могут сопровождаться увеличением напряжения СО₂ в крови, а гипервентиляция приводит к снижению этого напряжения). Подобные состояния называют дыхательным (респираторным)

ацидозом или алкалозом. При нарушениях обмена веществ (например, при сахарном диабете) в крови могут накапливаться нелетучие кислоты; напротив, поступление в кровь оснований или потеря HCl (при рвоте) могут сопровождаться уменьшением содержания этих кислот. Такие состояния называют метаболическим ацидозом или алкалозом. Поскольку pH крови может изменяться также при поражениях почек, сдвиги кислотно-щелочного равновесия, обусловленные почечными или обменными нарушениями, объединяют под названием нереспираторный ацидоз или алкалоз.

Критерии первичных нарушений кислотно-щелочного равновесия. Признаками, позволяющими отличить респираторные нарушения кислотно-щелочного равновесия от нереспираторных, служат напряжение СО₂ (Р_CO2 ) в крови и избыток оснований (BE). Для респираторных нарушений характерно повышение или понижение Р_CO2 без предварительного изменения концентрации буферных оснований (BE = 0). Напротив, при нереспираторных нарушениях Р_CO2 вначале не изменяется, тогда как BE сдвигается в ту или иную сторону. Если содержание нелетучих кислот в крови повышается (метаболический ацидоз), то эти кислоты связывают некоторое количество буферных оснований (наступает дефицит оснований); при понижении же содержания

Рис. 22.16. Сатурационные кривые С02 для различных значений избытка оснований (BE). Нереспираторные (метаболические) нарушения кислотно-щелочного равновесия приводят к сдвигу этих кривых и вследствие этого к существенным изменениям общего содержания С02 в крови. При нарушениях дыхания зависимость содержания С02 от его парциального давления описывается кривой для случая BE = 0

622 ЧАСТЬ VI. ДЫХАНИЕ

этих кислот (метаболическом алкалозе) концентрация буферных оснований возрастает (положительный BE).

Нереспираторные нарушения оказывают заметное влияние на содержание СО₂ в крови, так как они связаны с изменениями [HCO₃⁻]. Этот эффект хорошо иллюстрируют сатурациониые кривые СО₂ для разных значений избытка оснований (BE) (рис. 22.16). В случае нереспираторного ацидоза (дефицит оснований) кривая сдвигается в сторону уменьшения содержания СО₂, а при нереспираторном алкалозе в противоположную сторону. Напротив, при респираторном нарушении не происходит предварительного изменения формы или положения сатураиионной кривой СО₂.

Отличительные признаки четырех типов нарушений кислотно-щелочного равновесия суммированы на рис. 22.17. По оси ординат отложен избыток оснований, а по оси абсцисс - pH. Приведены кривые для постоянных значений напряжения СО₂. Нормальные диапазоны pH, BE и Р_CO2 ограничены красными линиями. Таким образом, области слева от белой вертикальной полосы соответствуют ацидозу, а справа - алкалозу. Красные полосы помечены в соответствии с типом респираторных и нереспираторных нарушений (типы указаны). Причину и тип нарушения кислотно-щелочного равновесия в конкретном случае можно определить, найдя точку, соответствующую значениям BE и pH. Так, если

Рис. 22.17. Схема первичных нарушений кислотно-щелочного равновесия и путей их компенсации. Красные линии ограничивают нормальные пределы BE, pH и РСO2. Заштрихованная область соответствует нормальному кислотно-щелочному равновесию; стрелки с буквой а указывают первичные нарушения кислотно-щелочного равновесия; стрелки с буквой б-включение компенсаторных механизмов

(в артериальной крови) BE = 0 ммоль/л. а Р_CO2 = = 60 ммрт. ст., то это респираторный ацидоз; если же BE =—15 ммоль/л, а Р_CO2 = 40 мм рт. ст., то это указывает на метаболический (точнее, нереспираторный) ацидоз.

Компенсация первичных нарушении кислотно-щелочного равновесия. Во многих случаях первичные нарушения кислотно-щелочного равновесия могут быть более или менее быстро скомпенсированы, т. е. в ответ на изменения pH в ту или иную сторону включаются механизмы, восстанавливающие нормальное значение этого параметра (или хотя бы уменьшающие сдвиг). Все эти механизмы уже были нами рассмотрены (с. 621):

1. Первичные нереспираторные нарушения кислотно-щелочного равновесия компенсируются за счет изменения вентиляции легких. В случае же, если они обусловлены метаболическими причинами, дополнительно включаются почечные механизмы компенсации.

2. Первичные респираторные нарушения компенсируются почечными механизмами, направленными на изменение выделения Н⁺ или задержки НСО₃⁻.

Все эти варианты проиллюстрированы на рис. 22.17. Рассмотрим прежде всего первичный нереспираторнын ацидоз (стрелка 1а). По мере накопления в крови нелетучих кислот содержание буферных оснований снижается, и pH падает. Уменьшение pH приводит к гипервентиляции, вследствие чего напряжение СО₂ в крови уменьшается. Этот компенсаторный эффект отражен на схеме (стрелка 1б). Если в результате снижения Р_CO2 pH крови возвращается к нормальному уровню, то можно говорить о полностью компенсированном нереспираторном ацидозе. Если же, несмотря на уменьшение Р_CO2 , pH остается пониженным, то имеет место не полностью (частично) компенсированный нереспираторный ацидоз. При нереспираторном алкалозе (стрелка 2а) увеличение содержания буферных оснований компенсируется за счет увеличения Р_CO2 , вызванного гиповентиляцией (стрелка 2б). Однако степень снижения вентиляции в этом случае лимитируется потребностью организма в кислороде, поэтому такая компенсация обычно бывает неполной. При первичном респираторном ацидозе (стрелка 3а), обусловленном, например, нарушениями функции легких, повышается напряжение СО₂ в крови. В ответ на это спустя определенный латентный период включается почечный механизм задержки оснований. В результате содержание буферных оснований в крови повышается, и pH возвращается к нормальному уровню (стрелка 3б). Напротив, при первичном респираторном алкалозе (стрелка 4а), характеризующемся понижением Р_CO2 , восстановление нормальной величины pH происходит за счет компенса-