9.6. Нарушение кислотно-основного баланса

Нарушение кислотно-основного баланса (КОБ) может осложнять течение многих заболеваний, являясь следствием изменений газового состава крови, метаболических расстройств, которые возникают, напри­мер, при недостаточности дыхания, кровообращения, печени, почек, при эндокринных заболеваниях, патологии желудочно-кишечного тракта, си­стемы крови и др.

Для оценки характера изменений КОБ принято оценивать концент­рацию Н⁺ в артериальной крови, т.е. определять рН крови; рН — отрица­тельный логарифм концентрации водородных ионов. Увеличение рН кро­ви более 7,45 свидетельствует о защелачивании (алкалемии), уменьшение рН менее 7,55 — о закислении (ацидемии).

При существенных сдвигах рН в ту или иную сторону нарушаются функции клеток, прежде всего работа их многочисленных ферментных систем, изменяются направленность и интенсивность окислительно-вос- становительных процессов, способность гемоглобина связывать и отда­вать кислород. Изменяется водный-электролитный баланс, увеличивается проницаемость клеточных мембран и др.

Уменьшение рН крови менее 6,8 и увеличение более 7,7 несов­местимы с жизнью. Для поддержания концентрации ионов водорода и соответственно рН в таком узком диапазоне в организме существуют спе­циальные системы — это буферные системы крови и клеток и физиоло­гические — главным образом легкие и почки.

9.6.1. Основы регуляции кислотно-основного баланса

Роль буферных систем. Буфер — это слабая кислота или основа­ние, которые противостоят изменению рН при добавлении сильной кис­лоты или основания. Буферные системы клеток и плазмы крови играют первостепенную роль в поддержании относительно узкого диапазона рН, в котором протекают физиологические клеточные и внеклеточные про­цессы. Главной буферной системой крови служит система С0₂—бикар­бонат, которая действует во внеклеточной и внутриклеточной.жидкостях организма. Кроме того, внутриклеточные белки, гемоглобин, белки плаз­мы и составные элементы костей (например, карбонаты и коллаген) так­же играют роль буферов.

Анион бикарбоната присутствует в большинстве жидкостей организ­ма и является его главным щелочным резервом. Бикарбонат реагирует с ионом водорода, образуя угольную кислоту, которая существует в равно­весии с С0₂ (Н⁺ + НС0₃~ о Н₂С0₃ <-> С0₂ + Н₂0). Превращение Н₂С0₃ в Н₂0 и С0₂ катализируется ферментом карбоангидразой. В ходе метаболизма образующиеся Н⁺ взаимодействуют с бикарбонатом, образуя Н₂С0₃, а затем С0₂ и Н₂0. Углекислый газ выводится легкими. И, наоборот, когда С0₂ образуется в процессе клеточного метаболизма, угольная кислота диссоциирует на Н⁺ и НС0₃~.

рН системы, в которой протекают эти реакции, рассчитывается на основе уравнения Гендерсона-Хассельбаха. Оно выводится из уравнения для константы диссоциации (К_а) угольной кислоты:

_ [Н⁺]х[НС0₃] ^а [Н₂С0₃] '

или в логарифмической форме:

lg[H⁺] + 1д[НС0₃-]

|дк_а =

[Н₂С0₃]

Поскольку рН — это отрицательный логарифм [Н⁺], уравнение мож­но записать так: [НСО "]

рН = рКа + |д( _0>03хр^₀₂ ).

Величина рК_а для буферной системы С0₂—бикарбонат равна 6,1 Концентрация бикарбоната в плазме артериальной крови здорового че­ловека — 24 ммоль/л, а нормальное парциальное давление углекислого газа — 40 мм рт.ст. Следовательно, в норме рН артериальной крови со­ставляет 7,4:

6,1 + Ig24 ^ф 0,03x24

Величина рК_а для буферов-белков равна 7,4 (Н-белок <-> Н⁺ + бе­лок). Величина рК_а для буфера-фосфата — 6,8 (Н₂Р0₄ <-> Н⁺ + НР0₄ ²) Бел­ки и фосфаты являются главными внутриклеточными буферами.

Изменение функций внешнего дыхания. Вдыхаемый воздух со­держит незначительное количество С0₂. Почти вся углекислота крови яв­ляется продуктом клеточного метаболизма. По мере образования в про­цессе клеточного метаболизма С0₂ легко диффундирует в капилляры и транспортируется к легким в трех основных формах:

• растворенная С0₂;

• анион бикарбоната;

• карбаминовое соединение (рис. 9.7).

С0₂ очень хорошо растворяется в плазме. Количество растворен­ной в плазме С0₂ определяется произведением ее парциального давления и коэффициента растворимости. Около 5 % общей двуокиси углерода в артериальной крови находится в форме растворенного газа, а 90 % — в форме бикарбоната. Последний является продуктом реакции С0₂ с во­дой с образованием Н₂С0₃ и ее диссоциацией на водород и ион бикарбо­ната: С0₂ + Н₂0 о Н2С0₃ нН⁺ + НС0₃~ Реакция между С0₂ и Н₂0 протека­ет медленно в плазме и очень быстро в эритроцитах, где присутствует внутриклеточный фермент карбоангидраза. Она облегчает реакцию меж­ду С0₂ и Н₂0 с образованием Н₂С0₃; вторая реакция протекает очень быст­ро без катализатора.

По мере накопления НС0₃~ внутри эритроцита анион диффундирует через клеточную мембрану в плазму. Мембрана эритроцита плохо про­ницаема для Н⁺, как и вообще для катионов, поэтому ионы водорода ос­таются внутри клетки. Электрическая нейтральность клетки в процессе диффузии НС0₃~ в плазму обеспечивается потоком ионов хлора из плаз­мы в эритроцит, что формирует так называемый хлоридный сдвиг.

Часть Н⁺, остающихся в эритроцитах, соединяется с гемоглобином. В периферических тканях, где концентрация С0₂ высока и значительное количество Н⁺ накапливается эритроцитами, связывание Н⁺ облегчается

Рис. 9.7. С0₂-транспорт в крови, иллюстрирующий образование НС0₃~ и карбаминовых соединений, хлоридный сдвиг и связывание Н⁺. При поглощении 0₂ и высвобождении С0₂ в легочных капиллярах представленные реак­ции протекают в обратном порядке (поМайклА Гриппи, 1997)

деоксигенацией гемоглобина. Восстановленный гемоглобин лучше свя­зывается с протонами, чем оксигенированный. Таким образом, деокси- генация артериальной крови в периферических тканях способствует свя­зыванию Н⁺ посредством образования восстановленного гемоглобина. Это увеличение связывания С0₂ с гемоглобином известно как эффект Холдейна.

Третьей формой транспорта С0₂ являются карбаминовые соедине­ния, образованные в реакции С0₂ с концевыми аминогруппами белков крови. Основным белком крови, связывающим С0₂является гемоглобин. Этот процесс описывается реакцией: Hb-NH₂ + С0₂ Hb-NH х СООН Hb-NHCOO" + Н⁺. Реакция С0₂ с аминогруппами протекает быстро. Как и в случае более легкого связывания С0₂ с восстановленным гемоглоби­ном, образование карбаминовых соединений легче протекает с деокси- генированной формой гемоглобина. Карбаминовые соединения состав­ляют около 5 % общего количества С0₂, транспортируемого артериальной кровью.

Регуляция выделения С0₂ достигается изменением скорости объе­ма легочной вентиляции, т.е. зависит от величины минутной альвеоляр­ной вентиляции (МАВ). Повышение МАВ приводит к снижению артери­ального рС0₂ и наоборот. Афферентные сигналы, изменяющие минутную альвеолярную вентиляцию, связаны с хеморецепторами, которые регу­лируют функции дыхательного центра. Эти рецепторы находятся в про­долговатом мозге, аортальном и каротидном тельцах и реагируют на из­менения рС0₂ и концентрации Н⁺.

Легкие — это первая линия защиты в поддержании кислотно-основ­ного гомеостаза, поскольку они обеспечивают механизм почти немед­ленной регуляции выделения кислоты. В то же время любые нарушения дыхания, сопровождающиеся увеличением или уменьшением минутной альвеолярной вентиляции, могут стать причиной развития нарушений КОБ.

Роль почек. Количество нелетучих кислот, образующихся в процес­се метаболизма белков и других веществ, гораздо меньше, чем летучих. Тем не менее, почки выделяют от 50 до 100 ммоль нелетучих¹ кислот в сут­ки. Их выделение происходит в проксимальных канальцах и собиратель­ных трубках почек, где секретируются протоны, а в качестве буферных систем участвуют фосфаты, сульфаты (т.е. титруемые кислоты) и амми­ак. Однако до того как может произойти экскреция всех кислот, почки должны реабсорбировать НС0₃~, профильтровавшийся в клубочках.

Способность канальцев почек к реабсорбции НС0₃~ высока. В сред­нем человек выделяет менее 5 ммоль НС0₃" в сутки. Самьм важным мес­том реабсорбции НС0₃~ являются проксимальные канальцы, где по­средством специального механизма происходит всасывание 90 % бикарбоната. Угольная кислота образуется в клетке из воды и С0₂ под дей­ствием карбоангидразы, Н⁺ активно переносятся через люминальную мембрану Na⁺-, Н⁺-обменником (рис. 9.8). Затем НС0₃~ транспортиру­ется через базолатеральную мембрану. Секретируемый Н⁺ быстро соединяется с фильтруемым НС0₃~, образуя угольную кислоту (Н₂С0₃). Угольная кислота превращается в воду и углекислый газ с помощью карбо­ангидразы (КА) на люминальной стороне щеточной каемки проксималь­ного канальца. С0₂ диффундирует обратно в клетку проксимального ка­нальца, где соединяется с Н₂0 и образует угольную кислоту, завершая тем самым этот цикл (рис. 9.8).

Некарбоновые кислоты секретируются вставочными клетками соби­рательных трубок коры и наружного мозгового слоя почек. Секрецию Н⁺ в просвет канальцев осуществляет Н⁺-АТФаза, тогда как в реабсорбции НС0₃~ через базолатеральную мембрану участвует обменник С1~, НС0₃~ (рис. 9.9).

Главным фактором, от которого зависит количество выделяемых кислот, является присутствие буферов в моче. Максимальный рН жидкос

-

Базолатеральная Просвет Базолатеральная Просвет

KA — карбоангидраза. (по Френк К. Брозиус, 1997).

мембрана канальца мембрана канальца

Рис. 9.8. Реасорбция бикарбоната Рис. 9.9. Секреция Н⁺ вставочными

в клеткахпроксимального канальца. а-клетками собирательной трубки.

АДФ — аденозиндифосфат; АТФ — аденозинтрифосфат. (по Френк К. Брозиус, 1997).

Рис. 9.10. Транспорт NH₃ и NH₄ в почке.

NH₄⁺ образуется и секретируется клетками проксимального канальца, а затем реабсор- бируется в восходящем отделе петли Генле и концентрируется в мозговом слое почки. Небольшое количество NH₄⁺ диссоциирует на NH₃ и Н⁺, последний реабсорбируется. NH₃ может диффундировать в собирательную трубку, где служит буфером для ионов Н\ секретируемых вставочными клетками.

ти в просвете собирательной труб­ки — 4,0 (Н⁺= 0,1 моль/л). Поэтому только 0,1—0,2% суточной нагрузки кислот (50—100 ммоль) могут быть выведены в форме незабуференных ионов Н⁺. Остальная часть Н⁺ в моче должна быть выведена в форме бу­феров, обычно таких, как фосфаты и аммоний. Концентрация аммония ре­гулируется преимущественно почками и колеблется в зависимости от КОБ (рис. 9.10). Объем суточной секреции кислот в наибольшей степени за­висит от количества выделяемого аммония.

Факторами, регулирующими транспорт Н+ и НС03~ в проксимальных канальцах почек, являются: рС02, фильтруемая нагрузка НС03~, карбоан- гидраза, паратиреоидный гормон, концентрация К+ и НР04~2 в сыворотке. В собирательных трубках регуляция транспорта катионов и бикарбоната обеспечивается: градиентом рН, разностью электрических потенциалов CI -
юз
Велик
16
OA ■ v ' V

CI - 103

Na ' 142