ПАТОФИЗИОЛОГИЯ КИСЛОТНО-ОСНОВНОГО СОСТОЯНИЯ

Кислотно-основное состояние (КОС) организма является одним из важнейших и наиболее строго стабилизируемых параметров гомеостаза. От соотношения водородных и гидроксильных ионов во внутренней среде организма зависят активность ферментов, интенсивность и направленность окислительно-восстановительных реакций, процессы обмена белков, углеводов и жиров, функции различных органов и систем, постоянство водного и электролитного обмена, проницаемость биологических мембран и т.д. Активность реакции среды влияет на способность гемоглобина связывать кислород и отдавать его тканям.

Активную реакцию среды принято оценивать по содержанию в жидкостях ионов водорода.

Величина рН является одним из самых «жестких» параметров крови и колеблется у человека в норме в очень узких пределах — 7,35–7,45. Более значительные изменения рН крови связаны с патологическими нарушениями обмена. В других биологических жидкостях и в клетках рН может отличаться от рН крови. Так, в эритроцитах рН составляет 7,18–7,20, а в моче — 4,5–5,5.

Сдвиг рН крови даже на 0,1 за указанные границы обусловливает нарушения со стороны функции сердечно-сосудистой, дыхательной и других систем; сдвиг на 0,3 может вызвать коматозные состояния, а на 0,4 — зачастую несовместим с жизнью.

4.1. Регуляция кислотно-основного гомеостаза

Кислотно-основное состояние поддерживается мощными гомеостатическими механизмами. В их основе лежат особенности физико-химических свойств буферных систем крови и физиологические процессы, в которых принимают участие системы внешнего дыхания, почки, печень, желудочно-кишечный тракт и др.

Буферной системой называют смеси, которые обладают способностью препятствовать изменению рН среды при внесении в нее кислот или оснований. Буферными свойствами обладают смеси, которые состоят из слабой кислоты и ее соли, содержащей сильное основание, или из слабого основания и соли сильной кислоты. Наиболее емкими буферными системами крови являются бикарбонатный, фосфатный, белковый и гемоглобиновый. Первые три системы особенно важную роль играют в плазме крови, а гемоглобиновый буфер, самый мощный, действует в эритроцитах.

Бикарбонатный буфер состоит из слабой угольной кислоты Н₂СО₃ и соли ее аниона — сильного основания . В плазме крови основной щелочной солью является бикарбонат натрия, а в клетках — бикарбонат калия. В нормальных условиях (при рН крови около 7,4) в плазме бикарбоната в 20 раз больше, чем углекислоты. При образовании в плазме избытка кислореагирующих продуктов ионы водорода соединяются с анионами бикарбоната ( ). Образующийся при этом в плазме избыток углекислоты поступает в эритроциты и там с помощью угольной ангидразы разлагается на углекислый газ и воду. Углекислый газ выделяется в плазму, возбуждает дыхательный центр и избыток СО₂ удаляется из организма через легкие. Это быстрое преобразование бикарбонатом любой кислоты в угольную, которая легко удаляется легкими, делает бикарбонатный буфер самой лабильной буферной системой.

Бикарбонатный буфер способен нейтрализовать и избыток оснований. В этом случае ионы ОНˉ будут связаны углекислотой и вместо самого сильного основания ОНˉ образуется менее сильное , избыток которого в виде бикарбонатных солей выделяется почками.

Бикарбонатный буфер является одним из самых важных. До тех пор, пока количество угольной кислоты и бикарбоната натрия изменяется пропорционально и соотношение между ними сохраняется 1:20; рН крови остается в пределах нормы, поэтому содержание составных частей бикарбонатного буфера является важнейшим показателем состояния кислотно-основного баланса организма.

Фосфатный буфер представлен солями одно- и двузамещенных фосфатов. Фосфатная буферная система является основной буферной системой клеток. Механизмы компенсации сводятся к образованию подвижных фосфатов в клетке и фосфорных солей мочи. Однозамещенная соль обладает кислыми свойствами, так как при диссоциации дает ион , который далее способен выделять ион водорода: NаН₂РО₄  Nа⁺ + ;  Н⁺ + . Двузамещенный фосфат обладает свойствами основания, так как диссоциирует с образованием иона , который может связывать ион водорода: + Н⁺  .

При нормальном рН в плазме соотношение фосфатных солей NаН₂РО₄: Nа₂НРО₄ = 1:4. Этот буфер имеет значение в почечной регуляции КОС, а также в регуляции реакции некоторых тканей. В крови же его действие главным образом сводится к поддержанию постоянства и воспроизводства бикарбонатного буфера. Так, при избытке в крови Н₂СО₃ происходит обменная реакция: Н₂СО₃ + Nа₂НРО₄  NaHCO₃ + NaH₂PO₄, т.е избыток Н₂СО₃ устраняется, а концентрация NаНСО₃ увеличивается, поддерживая постоянство отношения компонентов бикарбонатного буфера.

Белковая буферная система является довольно мощным буфером. Белки плазмы крови содержат достаточное количество кислых и основных радикалов, поэтому эта буферная система действует в зависимости от среды, в которой происходит диссоциация белков. Так, при сдвиге рН в щелочную сторону диссоциация основных групп угнетается и белок ведет себя как кислота. Связывая основание, эта кислота дает соль. С увеличением рН возрастает количество белков в форме соли, а при уменьшении растет количество белков плазмы в форме кислоты.

Гемоглобиновый буфер является самой емкой буферной системой. На ее долю приходится до 75 % всей буферной емкости крови. Свойства буферной системы гемоглобину придает главным образом его способность постоянно находиться в виде двух форм — восстановленного (редуцированного) гемоглобина ННb и окисленного (оксигемоглобина) НbО₂. Огромная роль гемоглобинового буфера в поддержании постоянства реакции крови при переходе ее из артериальной в венозную зависит от его способности особым образом связывать углекислый газ и переносить его к месту его выделения — к легочным капиллярам, оплетающим альвеолы. В кровь из клеток идет непрерывный поток СО₂.

При протекании крови по легочным капиллярам все процессы идут в обратном направлении. Венозная кровь через легочную мембрану контактирует с воздухом альвеол, где парциальное давление кислорода выше, а рСО₂ — ниже, чем в крови. Кислород воздуха насыщает плазму и поступает в эритроциты, а часть растворенного в плазме СО₂ покидает ее через стенку альвеол, поэтому сразу же падает напряжение СО₂ и в эритроцитах. Вследствие этого ферментативный процесс синтеза Н₂СО₃ из СО₂ и Н₂О прекращается. Карбоангидраза теперь стимулирует обратный процесс — расщепление Н₂СО₃ до воды и углекислого газа. Концентрация Н₂СО₃ в эритроцитах падает, а поэтому снижается концентрация ионов и Н⁺ в эритроцитах. Из плазмы в них усиленно поступают ионы (в обмен на ионы хлора), а ионы водорода освобождает гемоглобин.

Таким образом, переход окисленной формы гемоглобина в восстановленную форму предупреждает сдвиг рН в кислую сторону во время контакта крови с тканями, а образование оксигемоглобина в легочных капиллярах предотвращает сдвиг рН в щелочную сторону за счет выхода из эритроцитов СО₂ и иона хлора и образования в них бикарбоната.

Из всего сказанного ясно, что все буферные системы играют важную роль в регуляции КОС. Однако помимо буферных систем в поддержании постоянства рН активное участие принимают физиологические системы, среди которых основными являются легкие, почки, печень, желудочно-кишечный тракт.

Система дыхания играет значительную роль в поддержании кислотно-щелочного баланса организма, однако для нивелирования сдвига рН крови им требуется 1–3 минуты, в то время как буферной системе для этого достаточно 30 сек. Роль легких сводится к поддержанию нормальной концентрации углекислоты, и основным показателем функционального состояния легких является парциальное напряжение углекислого газа в крови.

Свободные ионы водорода не выделяются легкими. Однако при усиленном образовании их в организме нормально функционирующая бикарбонатная система, связывая с помощью бикарбоната натрия ионы водорода, переводит сильные кислоты в слабую угольную кислоту с последующим образованием из нее воды и углекислого газа, который выводится с выдыхаемым воздухом. Необходимо помнить, что углекислый газ образуется не только в результате реакции бикарбонатного буфера, но и является конечным продуктом ряда метаболических процессов в организме.

При устойчивом состоянии газообмена легкие выводят углекислого газа столько, сколько его образуется (около 850 г в сутки). В нормальных условиях напряжение углекислого газа артериальной крови поддерживается на уровне 35–45 мм рт. ст. (4,66–5,99 кПа). Адекватные изменения вентиляции регулируются дыхательным центром, который очень чувствителен к изменениям рН и рСО₂. Если напряжение углекислого газа повышается сверх нормы на 10 мм рт. ст., вентиляция увеличивается в 4 раза. Активность дыхательного центра возрастает также при снижении рН крови, а также при ряде других воздействий.

Таким образом, повышение напряжения углекислого газа и сдвиг рН в кислую сторону увеличивают вентиляцию и элиминацию углекислоты; буферное соотношение бикарбонатной системы выравнивается; концентрация ионов водорода нормализуется.

При избыточном накоплении щелочных веществ в организме возникает повышенная потребность в угольной кислоте, идущей на нейтрализацию этих щелочей. При уменьшении запасов угольной кислоты падает и концентрация углекислого газа и при этом интенсивность стимуляции дыхательного центра уменьшается, возникают брадипноэ и гиповентиляция. Это приводит к сохранению углекислого газа в организме и восполнению запасов угольной кислоты в крови. Таков физиологический механизм регуляции КОС с участием легких.

Роль почек в регуляции активной реакции крови не менее важна, чем деятельность дыхательной системы. Экскреция кислот при обычной смешанной пище у здорового человека превышает выделение оснований, поэтому моча имеет кислую реакцию (рН 5,3–6,5) и концентрация в ней ионов водорода примерно в 800 раз выше, чем в крови. Кислотность мочи возрастает при увеличении экскреции слабых органических кислот — ацетоновых тел, молочной, лимонной и др. Значительное их количество выделяется лишь при очень тяжелых нарушениях кислотно-основного баланса (например, при сахарном диабете), когда рН мочи может доходить до 4,2–4,4. Почки вырабатывают и выделяют с мочой количество ионов водорода, эквивалентное их количеству, непрерывно поступающему в плазму из клеток организма, совершая при этом замену ионов водорода, секретируемых эпителием канальцев, на ионы натрия первичной мочи. Этот механизм осуществляется с помощью нескольких химических процессов.

Первым из них является процесс реабсорбции натрия при превращении двузамещенных фосфатов в однозамещенные.

Второй процесс, который обеспечивает задержку натрия в организме и выведение излишка ионов водорода, — это превращение в просвете канальцев бикарбонатов в угольную кислоту.

Третьим процессом, который способствует сохранению натрия в организме, является синтез в дистальных почечных канальцах аммиака (аммониогенез) и использование его для нейтрализации и выведения кислых эквивалентов с мочой.

Образовавшийся свободный аммиак легко проникает в просвет канальцев, где, соединяясь с ионом водорода, превращается в плохо диффундирующий аммонийный катион , не способный вновь вернуться в клетку стенки канальца. Таким образом, для осуществления эффективной экскреции аммония необходима активность в клетках канальцев не только глютаминазы, но и карбоангидразы, обеспечивающей образование угольной кислоты. Важно, что, выделяясь в составе аммонийных солей, ионы водорода не снижают рН мочи и не оказывают губительного действия на клетки канальцев. Одновременно в плазму (вместе с натрием) поступают ионы бикарбоната, образованные в процессе секреции водородных ионов.

В общем итоге концентрация водородных ионов в моче может превышать концентрацию водородных ионов в крови в несколько сотен раз.

Регуляция КОС с участием печени осуществляется несколькими путями. Печень окисляет до конечных продуктов недоокисленные вещества крови, оттекающей от кишечника; синтезирует мочевину из азотистых шлаков, в частности из аммиака и из хлорида аммония, поступающих из желудочно-кишечного тракта в кровь портальной вены; печени присуща выделительная функция и поэтому при накоплении в организме избыточного количества кислых или щелочных продуктов метаболизма они могут выделяться с желчью в желудочно-кишечный тракт.

Концентрация водородных ионов в крови в некоторой степени зависит также от деятельности желудка и кишечника. Клетки слизистой желудка секретируют соляную кислоту в очень высокой концентрации. При этом из крови ионы хлора выделяются в полость желудка в соединении с ионами водорода, образующимися в эпителии желудка с участием карбоангидразы. Взамен хлоридов в плазму в процессе желудочной секреции поступает бикарбонат. Существенного сдвига в сторону избытка оснований при этом не происходит, поскольку у здорового человека ионы хлора желудочного сока быстро вновь всасываются в кровь в кишечнике. Железы слизистой кишечника секретируют сок, богатый бикарбонатами. Действие этих секреторных механизмов в здоровом организме обычно не выявляется. Однако нарушение всасывания желудочного и кишечного сока (при сильной и длительной потере) вызывает сдвиг кислотно-основного состояния.

Таковы основные представления о системе механизмов, которые позволяют организму поддерживать относительное постоянство его внутренней среды несмотря на образование в тканях и поступление извне кислот и оснований. Попадающие в кровь кислоты и основания снижают свою концентрацию за счет их разведения внеклеточной жидкостью. Далее сразу же происходит связывание избытка кислот или оснований соответственно буферными основаниями или «кислой» частью буферных систем и клеток. Это механизмы первой линии защиты.

Вторая линия защиты — это механизмы дыхательной компенсации, при которой происходит увеличение или угнетение легочной вентиляции. Изменение вентиляции соответствующим образом выравнивает соотношение частей бикарбонатной буферной системы, что способствует восстановлению рН.

Далее присоединяются более медленно действующие процессы восстановления реакции крови, происходящие, главным образом, в почках (табл.1).

В связи со значительной ролью, которую играют почки в поддержании КОС, определенный интерес представляет исследование некоторых показателей мочи. Изучение величины рН мочи может быть произведено теми же методиками, что и для крови. Однако наиболее часто представление о величинах рН мочи получают с помощью полуколичественного экспресс-теста. В норме рН мочи 4,5–6,0. Бикарбонаты в моче могут быть определены титрационным методом или непрямым путем по величине рН и общего СО₂. Титруемая кислотность мочи составляет 10–30 ммоль/л в сутки. За сутки с мочой может выделяться до 30–50 ммоль аммиака.