8.5. Буферные системы организма, их взаимодействие, явления ацидоза и алкалоза

Основными буферными системами организма являются гид­рокарбонатная, гемоглобиновая, фосфатная и белковая. Все эти системы имеются в крови, где с их помощью особенно стро­го поддерживается рН = 7,40 ± 0,05, несмотря на поступление в нее из кишечника и тканей значительного количества кислот и небольшого - оснований.

Гидрокарбонатная буферная система образована оксидом углерода(4), взаимодействие которого с водой приводит к рав­новесной системе:

В этой системе донором протона является угольная кислота Н2СО3, а акцептором протона - гидрокарбонат-ион HCO3-. С уче­том физиологии условно весь СО2 в организме, как просто рас­творенный, так и гидратированный до угольной кислоты Н2СО3, принято рассматривать как угольную кислоту. Поэтому выражение и значение константы диссоциации для угольной кисло­ты в физиологических условиях отличается от стандартного зна­чения.

Вследствие малой растворимости углекислого газа в плазме крови общую концентрацию угольной кислоты (донора протона) в уравнении Гендерсона - Хассельбаха можно выразить через произведение двух величин: парциального давления р(С0₂), которое измеряют экспериментально, и коэффициента раствори­мости С0₂ в жидких средах организма s, который в физиологи­ческих условиях равен 0,033. Тогда формула для расчета зна­чения рН гидрокарбонатной системы принимает вид:

Угольная кислота при физиологическом значении рН = 7,40 находится преимущественно в виде моноаниона, а отношение концентраций компонентов в гидрокарбонатной буферной сис­теме крови [НСОз-]/[С0₂] = 20 : 1. Следовательно, гидрокарбо­натная система имеет буферную емкость по кислоте значитель­но больше буферной емкости по основанию. Это отвечает осо­бенностям метаболизма нашего организма.

Е сли в кровь поступает кислота и увеличивается концен­трация иона водорода, то он, взаимодействуя с НСОз, смещает равновесие в сторону Н₂С0₃ и приводит к выделению газооб­разного С0₂, который выводится из организма в процессе ды­хания через легкие:

При поступлении в кровьоснований, они связываются угольной кислотой, и равновесие смещается в сторону HCO3-:

Главное назначение гидрокарбонатного буфера заключается в нейтрализации кислот. Он является системой быстрого и эффек­тивного реагирования, так как продукт его взаимодействия с ки­слотами - углекислый газ - быстро выводится через легкие. Нарушение кислотно-основного равновесия в организме прежде всего компенсируется с помощью гидрокарбонатной буферной системы (за 10-15 мин). При этом изменяется отношение [НСОз-]/[Н₂С0₃]. Затем, за счет изменения объема легочной вентиляции, восста­навливается в течение 10-18 ч отношение [НСО3-]/[Н₂СОз], со­ответствующее норме. Гидрокарбонатный буфер является ос­новной буферной системой плазмы крови, обеспечивающей около 55 % от всей буферной емкости крови. Гидрокарбонатный бу­фер содержится также в эритроцитах, межклеточной жидкости и в почечной ткани.

Гидрофосфатная буферная система содержится как в кро­ви, так и в клеточной жидкости других тканей, особенно по­чек. В клетках она представлена К₂НР0₄ и КН₂Р0₄, а в плазме крови и межклеточной жидкости Na₂HP0₄ и NaH₂P0₄. Роль донора протона в этой системе играет ион Н₂Р0₄-, характери­зующийся в физиологических условиях рК_а = 6,8, а акцептора протона - ион HPO₄- .Работа фосфатной буферной системы описывается уравнением буферного действия:

В норме отношение форм [НРO₄2-]/[Н₂РO₄-] = 4:1. Следова­тельно, и эта система имеет буферную емкость по кислоте больше, чем по основанию. При увеличении концентрации ка­тионов Н⁺ во внутриклеточной жидкости, например в резуль­тате переработки мясной пищи, происходит их нейтрализация ионами Н₂РO₄2-:

Образующийся избыточный дигидрофосфат выводится почками, что приводит к снижению величины рН мочи. При увеличении концентрации оснований в организме, например при употреб­лении растительной пищи, они нейтрализуются ионами Н₂Р0₄-:

Образующийся избыточный гидрофосфат выводится почками, при этом рН мочи повышается. Выведение тех или иных ком­понентов фосфатной буферной системы с мочой, в зависимости от перерабатываемой пищи, объясняет широкий интервал зна­чений рН мочи - от 4,8 до 7,5. В отличие от гидрокарбонатной, фосфатная система более "консервативна", так как избыточные продукты нейтрализации выводятся через почки и полное вос­становление отношения [НРO₄2-]/[Н₂Р0₄-] происходит только через 2-3 сут. Длительности легочной и почечной компенсации на­рушений отношения компонентов в буферных системах необхо­димо учитывать при терапевтической коррекции нарушений ки­слотно-основного равновесия организма.

Г емоглобиновая буферная система является сложной бу­ферной системой эритроцитов, которая включает в качестве до­нора протона две слабые кислоты: гемоглобин ННb и оксигемоглобин ННЬ0₂. Роль акцептора протона играют сопряженные этим кислотам основания, т. е. их анионы Нb- и HbO2- Механизм буферного действия этой системы основан на следующих реак­циях:

при добавлении кислот поглощать ионы Н⁺ в первую очередь будут анионы гемоглобина, которые имеют большое сродство к протону. При действии основания оксигемоглобин будет прояв­лять большую активность, чем гемоглобин:

таким образом, гемоглобиновая система крови играет значи­тельную роль сразу в нескольких важнейших физиологических процессах организма: дыхании, транспорте кислорода в ткани и поддержании постоянства рН внутри эритроцитов, а в конечном итоге - в крови. Эта система эффективно функционирует только в сочетании с другими буферными системами крови.

Белковые (протеиновые) буферные системы в зависимости от кислотно-основных свойств белка, характеризующихся его изоэлектрической точкой, бывают анионного и катионного типа.

Анионный белковый буфер работает при рН > рI_белка и состоит из донора протонов - молекулы белка HProt, имеющей бипо­лярно-ионное строение, и акцептора протонов - аниона белка (Prot)^-. Протолитическое равновесие в этой сопряженной ки­слотно-основной паре отражается следующим образом:

При добавлении кислоты это равновесие смещается в сторону образования молекулы белка, а при добавлении основания в сис­теме увеличивается содержание аниона белка.

Катионный белковый буфер работает при рН < рI_6елка и состо­ит из донора протона - катиона белка (H₂Prot)⁺ и акцептора про­тона - молекулы белка HProt. Протолитическое равновесие в этой сопряженной кислотно-основной паре отражается так:

Катионная белковая буферная система HProt, (H₂Prot)⁺ обычно поддерживает величину рН в физиологических средах с рН < 6, а анионная белковая буферная система (Prot)^-, HProt - в средах с рН > 6. В крови работает анионный белковый буфер.

Взаимодействие буферных систем в организме. Все буфер­ные системы в организме взаимосвязаны. Рассмотрим это вза­имодействие на уровне плазмы и эритроцитов крови. Протоли тические буферные системы крови состоят из нескольких сис­тем, состав и механизм действия которых уже рассмотрен. Вклад каждой из них в поддержание рН крови у человека раз­личен и указан в табл. 8.3.

К огда кровь попадает в легкие, где давление кислорода при вдохе достаточно велико, она обогащается кислородом за счет свя­зывания его в эритроцитах гемоглобином ННb с образованием оксигемоглобина ННbО2 (Строение гемоглобина и его производ­ных рассмотрено в разд. 10.4.) Оксигемоглобин, как кислота, дис­социирует легче, чем гемоглобин, анион которого, связывая кати­он Н⁺, поддерживает рН в эритроците. Поскольку ННb0₂ в крови легких много и по силе эта кислота (рK_a(HНbО2) = 6,95) сопоста­вима с угольной кислотой (рK_a(HзСОз) = 6,1), то за счет ННbО2 и при участии фермента карбоангидразы в легких параллельно происходит процесс очищения крови от летучей кислоты СО2, которая в эритроцитах находится в виде НСО3- и аниона карбаминогемоглобина (Нb • СО2)-, а в плазме - в виде НСОз- и в рас­творенном состоянии (С0₂ • Н2О). Процессы, происходящие в эритроцитах легочной крови, можно отразить следующими ре­акциями:

Уменьшение концентрации HCO3- в эритроцитах легочной кро­ви приводит к диффузии НСОз- из плазмы в эритроцит. Вследствие этого плазма очищается от гидрокарбонат-аниона и рас­творенного СО2 (СO2 • Н2О), так как переход в эритроцит способствует следующим превращениям в плазме:

Поступление НСО3- в эритроциты приводит к удалению из них хлорид-анионов (для соблюдения электронейтральности этих кле­ток). Следует подчеркнуть, что протеканию всех приведенных реакций способствуют два физиологических процесса: вдох — поступление кислорода в кровь - и выдох - выделение из крови "летучей кислоты" СО2.

Обогащенная кислородом артериальная кровь, содержащая оксигемоглобин на 65 % в ионизированном состоянии , а гемоглобин - на 10 % (Нb^-), поступает в ткани, которые стре­мятся получить кислород и отдать в кровь продукты метабо­лизма: СО2 и избыток катионов Н⁺. Это приводит к протеканию следующих процессов: поступающий в кровь СО2 растворяется в плазме и эритроцитах и, реагируя с водой, образует угольную кислоту. В плазме эта реакция идет медленно, а в эритроцитах -быстро, за счет участия фермента карбоангидразы. Поэтому СО2 интенсивно диффундирует в эритроциты, где происходит его связывание с образованием Н2СО3, а также карбаминогемогло-бина (Нb • СО2)- в результате взаимодействия с буферным осно­ванием эритроцитов Нb-, при котором СО2 связывается с ами­ногруппами белка (глобина). Образовавшаяся в эритроцитах Н2СО3, как более сильная кислота, реагирует с другим буфер­ным основанием - HbO2-, переводя его в неионизированное со­стояние ННb0₂, а сама превращается в НСОз, который диф­фундирует в плазму. Неионизированный оксигемоглобин легко отдает тканям необходимый кислород. Эти процессы в эритро­цитах описываются следующими реакциями:

Таким образом, в тканях из эритроцитов в плазму постоян­но поступает НС0₃-, а из плазмы в эритроциты для соблюдения их электронейтральности диффундируют протолитически неак­тивные хлорид-анионы. В результате встречной диффузии этих ионов в эритроците среда менее щелочная (рН = 7,25), чем в плазме (рН = 7,40).

В плазму крови из тканей поступают метаболический Н⁺ и СО2, а из эритроцитов - НСОз- Буферные основания плазмы -гидрокарбонат-анион НСОз, анион белка (Prot)" и гидрофосфат-анион НРО4(2-), реагируя с поступающими кислотными субстратами Н⁺, СО2 • Н2О и Н2СО3, нейтрализуют их благодаря сле­дующим реакциям:

В легких кровь очищается от НСОз за счет превращения его в СО2 и удаления из организма. Нейтрализация кислых про­дуктов HProt и H2PO4(-) в соответствующие им буферные основа­ния (Prot)" и НРО4(-) происходит при очищении крови в почках, при этом часть фосфатов удаляется с мочой.

Совокупность рассмотренных процессов, происходящих в эри­троцитах и плазме крови, обеспечивает протекание двух важней­ших физиологических процессов - поддержания рН крови на уровне рН = 7,35 - 7,45, несмотря на постоянное поступление в нее из тканей СО2 и катионов Н⁺, и дыхания - поступления в кровь и транспорта ею кислорода и СО2. Транспорт кислорода из легких в ткани в основном осуществляется за счет образова­ния в эритроцитах оксигемоглобина (ННb0₂), при этом 100 мл крови транспортируют 21 мл газообразного кислорода. Углекис­лый газ транспортируется кровью из тканей в легкие в следую­щих формах: НСО3(-) - 80 %, (Нb • С0₂ )- - 15 % и (С0₂ • Н₂0), т. е. в растворенном виде, - 5 %. При этом около двух третей обще­го количества С0₂ находится в плазме, а одна треть - в эритро­цитах. Однако в процессе переноса СО2 от тканей к легким поч­ти весь С0₂ крови должен пройти через эритроциты, т. е. войти в эритроциты и выйти из них.

Все буферные системы организма характеризуются отноше­нием [акцептор протона]/[донор протона] = 4 - 20, т. е. их бу­ферная емкость по кислоте больше, чем буферная емкость по основанию. Это отношение находится в соответствии с особенностями метаболизма человеческого организма, образующего больше кислотных продуктов, чем основных. Поэтому очень важным показателем для физиологических сред является ки­слотная буферная емкость В_а. При заболеваниях органов дыха­ния, кровообращения, печени, желудка, почек, при отравлени­ях, голодании, диабете, ожоговой болезни и т. п. может наблю­даться уменьшение или увеличение В_а по сравнению с нормой, т. е. патологические явления: ацидоз и алкалоз.

Ацидоз - это уменьшение кислотной буферной емкости физиологической системы по сравнению с нормой. Алкалоз - это увеличение кислотной буферной емкости физиологической системы по сравнению с нормой.

Причинами ацидоза и алкалоза могут быть или увеличение содержания кислот, или уменьшение содержания буферных оснований в системе по сравнению с нормой.

Ацидоз или алкалоз могут быть экзогенного и эндогенного характера. Экзогенный ацидоз возникает при употреблении пи­щи с избыточным содержанием кислот (лимонной, бензойной, уксусной), а также лекарственных средств, трансформация кото­рых в организме способствует понижению рН среды. Экзогенный алкалоз в основном возникает при поступлении в организм ле­карств или других веществ, способствующих повышению рН среды, например соды, ацетата калия. Эндогенный ацидоз или алкалоз возникает при нарушении протолитического баланса в организме вследствие нарушения соотношений скоростей синтеза и выведения тех или иных кислот или оснований.

В зависимости от глубины патологических изменений разли­чают компенсированный и некомпенсированный ацидоз (алкалоз). При компенсированном ацидозе (алкалозе), несмотря на откло­нения от нормы кислотной буферной емкости, рН крови сохра­няет значение в пределах 7,35 < рН < 7,45. Некомпенсированный ацидоз сопровождается уменьшением кислотной буферной емко­сти и снижением рН крови (6,8 < рН < 7,35), а некомпенсиро­ванный алкалоз - увеличением кислотной буферной емкости и повышением рН крови (7,45 < рН < 7,9). Снижение рН крови по сравнению с нормой называется ацидемией, а повышение рН крови - алкалемией. Изменение значения рН крови на 0,6 еди­ницы в любую сторону приводит к летальному исходу.

Для характеристики кислотно-основного состояния крови в физиологии и медицине используются следующие метаболиче­ские показатели: величина рН плазмы и цельной крови, парци­альное напряжение (давление) углекислоты p(C0₂), содержание гидрокарбоната в плазме крови, содержание буферных основа­ний в плазме крови ВВ, избыток или дефицит буферных осно­ваний в крови BE.

Величина рН плазмы крови - фактическая величина водо­родного показателя плазмы артериальной крови при 37 °С. Фи­зиологические пределы 7,35 < рН < 7,45.

Парциальное напряжение углекислоты p(С0₂) - парциаль­ное давление СО2 над кровью, находящейся в равновесии с рас­творенным в плазме С0₂ при 37 °С. В физиологических условиях p(СОг) = (40 + 5) мм рт. ст. (5,3 кПа). Предельные значения пар­циального давления С0₂ составляют при алкалозе 10 мм рт. ст., а при ацидозе 130 мм рт. ст.

Содержание гидрокарбоната в плазме крови в норме с(НСО3(-)) = = (24,4 ± 3) ммоль/л.

Содержание буферных оснований в плазме крови (ВВ) -нормальное значение для плазмы ВВ = (42 ± 3) ммоль/л.

Избыток или дефицит буферных оснований в крови BE ха­рактеризует разницу между фактическим содержанием буферных оснований в крови у исследуемого человека и значением ВВ в норме, равным 42 ммоль/л. В норме BE равен ±3 ммоль/л. При патологии интервал значений показателя BE значительно ши­ре: ±30 ммоль/л.

В клинической практике с помощью указанных метаболи­ческих показателей крови определяют наличие нарушений про­толитического гомеостаза. Различают четыре вида первичных нарушений кислотно-основного баланса в организме, которые относятся к патологическим физиологическим процессам.

М етаболический ацидоз характеризуется избытком нелету­чей кислоты или дефицитом гидрокарбонат-аниона в межкле­точной жидкости.

Причины: нарушение кровообращения, кислородное голодание тка­ней, диарея (понос), нарушение выделительной функции почек, диабет.

Метаболический алкалоз характеризуется удалением моле­кул кислот или накоплением буферных оснований, включая содержание гидрокарбонат-аниона в межклеточной жидкости.

Причины: неукротимая рвота, удаление кислых продуктов из же­лудка, запор (накопление щелочных продуктов в кишечнике), дли­тельный прием щелочной пищи и минеральной воды.

Респираторный (газовый) ацидоз характеризуется понижен­ной скоростью вентиляции легких по сравнению со скоростью образования метаболического С0₂.

Причины: заболевания органов дыхания, гиповентиляция легких, угнетение дыхательного центра некоторыми препаратами, например барбитуратами.

Респираторный (газовый) алкалоз характеризуется повы­шенной скоростью вентиляции легких по сравнению со скоро­стью образования метаболического С0₂.

П ричины: вдыхание разреженного воздуха, чрезмерное возбужде­ние дыхательного центра вследствие поражения мозга, гипервентиля­ция легких, развитие тепловой одышки.

Идентифицировать характер патологии можно с помощью трехкоординатной диаграммы, представляющей собой равнобед­ренный треугольник, на сторонах которого отложены в масшта­бе величины метаболических показателей: рН; с(НСОз) и p(С0₂), причем так, чтобы их значения, соответствующие норме, нахо­дились на середине стороны треугольника (табл. 8.4). На диа­грамме отмечены области, соответствующие различным видам ацидоза и алкалоза (метаболическим - М, респираторным - Р).

Для проведения коррекции нарушений кислотно-основного состояния организма необходимо прежде всего выяснить при­чины их возникновения: нарушение процессов дыхания (респи­раторный ацидоз или алкалоз) или процессов пищеварения и выделения (метаболический ацидоз или алкалоз). Лечение рес­пираторных нарушений требует всего нескольких дней, а для устранения метаболических нарушений обычно необходимы недели.

При ацидозе в качестве экстренной меры используют внут­ривенное вливание растворов гидрокарбоната натрия (по 100-200 мл 4,5 % раствора, в острых случаях до 100 мл 8,4 % рас­твора), но лучше вводить 3,66 % водный раствор трисамина H2NC(CH2OH)3 или 11 % раствор лактата натрия. Последние средства, нейтрализуя кислоты, не выделяют СО2, что повыша­ет их эффективность.

Для устранения алкалоза иногда используют 5 % раствор аскорбиновой кислоты, частично нейтрализованный гидрокар­бонатом натрия до рН = 6,0-7,0.

В заключение следует отметить, что в организме человека вследствие процессов дыхания и пищеварения происходит по­стоянное образование двух противоположностей: кислот и осно­ваний, причем преимущественно слабых, что обеспечивает рав­новесный характер протолитическим процессам, протекающим в организме. В то же время из организма постоянно выводятся кислотно-основные продукты, в основном через легкие и почки. За счет сбалансированности процессов поступления и выведе­ния кислот и оснований, а также за счет равновесного характе­ра протолитических процессов, определяющих взаимодействие этих двух противоположностей, в организме поддерживается состояние протолитического (кислотно-основного) гомеостаза.

Г лава 9

ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЕ РЕАКЦИИ,

ИХ ЗАКОНОМЕРНОСТИ И РОЛЬ

В ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ ОРГАНИЗМОВ

После изучения этой главы вы должны:

• иметь представление о следующих понятиях и величинах: окислитель, восстановитель, сопряженная окислительно-восстано­вительная пара, эквивалент окислителя и восстановителя, стан­дартный восстановительный потенциал, ЭДС окислительно-восста­новительной реакции;

• знать условия самопроизвольного и равновесного протекания окислительно-восстановительных реакций;

• особенности биохимических окислительно-восстановительных процессов, степени окисления углерода, внутри- и межмолекуляр­ное окисление-восстановление, дегидрогеназное, оксидазное и свободнорадикальное окисление-восстановление, активные формы кислорода;

• иметь понятие о кофакторах и коферментах оксидоредуктаз, электронотранспортных цепях, окислительном фосфорилировании и фотофосфорилировании, цитохроме Р-450 - ферменте детоксикации, а также о компонентах антиоксидантной системы и их дей­ствии.