Кислотно-основное состояние

Кислотно-основное состояние (КОС) рассматривают как совокупность физико-химических, биологических, биохимических и других процессов, поддерживающих относительное постоянство активной реакции внутренней среды организма. Иначе КОС можно характеризовать как сбалансированный процесс образования, буферирования и выделения кислот (В. Д. Малышев, 2000).

КОС отражает соотношение концентраций водородных и гидроксильных ионов в биологических средах.

Интегральным показателем КОС является рН (potentia hydrogenii — сила водорода; математическая сущность рН= - lg[H⁺]).

Данный параметр гомеостаза поддерживается в узких пределах в любом живом организме. Точная регуляция концентрации водородных ионов обусловлена их высокой способностью включаться в химические реакции, что необходимо для поддержания постоянства структуры белков организма. Особой чувствительностью к концентрации водородных ионов обладают все ферменты, которые могут нормально функционировать только в очень узком диапазоне рН. Поэтому даже небольшие сдвиги рН серьезно изменяют функциональное состояние клеток.

Физико-химические факторы кислотно-основного состояния (кос).

Организм на 50–60% состоит из воды. Вода, даже в нормальных условиях, диссоциирует на Н⁺ и ОН^–. Подсчитано, что в одном литре химически чистой воды содержится 0,0000007 г Н⁺. В логарифме с отрицательным знаком эта величина, то есть рН будет равна 7 (нейтральная реакция). Сама вода оказывает определенное буферное действие, т. е. обладает способностью сопротивляться изменениям концентрации водородных ионов.

Нарушения КОС, возникающие в связи с накоплением кислот или с недостатком оснований, называют ацидозом.

Избыток оснований или снижение содержания кислот — алкалозом. Иначе можно сказать, что ацидоз — это:

сдвиг рН в кислую, а алкалоз — это:

сдвиг рН в щелочную сторону.

Если ацидоз или алкалоз вызываются нарушениями вентиляции, сопровождающимися увеличением или уменьшением углекислого газа, их называют дыхательными, во всех других случаях — метаболическими.

В норме реакция крови несколько смещена в щелочную сторону и рН находится в пределах 7,35–7,45 (7,4).

Быстрый сдвиг рН на 0,1 от средней величины 7,40 вызывает выраженные нарушения со стороны систем дыхания, кровообращения и др;

на 0,3 — потерю сознания,

на 0,4 — смерть.

О рН внеклеточной жидкости судят по концентрации Н⁺ в плазме.

Механизмы поддержания КОС

Высокая точность и надежность поддержания КОС были бы невозможны без участия механизмов, реализуемых на клеточном, межклеточном, тканевом (органном) и организменном уровнях регуляции. Выделяют два основных механизма, обеспечивающих уравновешивание кислых ионов:

1. Буферные системы организма (бикарбонатная, белковая, фосфатная и гемоглобиновая).

2. Специфические физиологические механизмы регуляции КОС в органах (легкие, почки, печень, ЖКТ, костная ткань).

Среди физиологических механизмов основное значение имеют дыхательные механизмы (быстро выводят летучие продукты) и почки (обеспечивают более медленное выведение нелетучих веществ).

Буферные системы организма

Буферная система представляет собой сопряженную кислотно-основную пару, состоящую из донатора и акцептора водородных ионов (протонов).

Примечание. Буферными свойствами обладают смеси, состоящие из слабой кислоты (донатор ионов Н⁺) и соли этой кислоты с сильным основанием (акцептор ионов Н⁺), или слабого основания с солью сильной кислоты.

Буферные системы в различных биологических жидкостях представлены неодинаково.

В крови имеются четыре буферные системы:

• Гидрокарбонатный (карбонатный) буфер — 53%,

• Гемоглобин-оксигемоглобиновый (гемоглобиновый) буфер — 35%,

• Протеиновый (белковый) буфер — 7%,

• Фосфатная система буферов (фосфатный буфер) — 5%.

Во внутриклеточной жидкости имеются: протеиновая, гидрокарбонатная и фосфатная буферные системы.

Во внеклеточной – фосфатная и гидрокарбонатная, в моче – аммонийная и фосфатная.

1.Гидрокарбонатная буферная система представляет собой сопряженную кислотно-основную пару, состоящую из молекул слабой угольной кислоты, играющей роль донатора протонов, и бикарбонат-ионов НСО₃^–, выполняющих роль акцепторов протонов.

Примечание. Гидрокарбонаты во внеклеточной жидкости находятся в виде натриевой соли (NаНСО₃), внутри клеток — в виде калиевой соли (КНСО₃), имеющих общий анион НСО₃^–. Анион бикарбоната является главным щелочным резервом организма.

Химическая формула гидрокарбонатного буфера: NаНСО₃/Н₂СО₃, а механизм действия следующий: при ацидозе анионы угольной кислоты (НСО₃^–) связывают катионы Н⁺, при алкалозе — угольная кислота диссоциирует, образуя ионы Н⁺, необходимые для буферирования избытка основания. Концентрация недиссоциированных молекул угольной кислоты в крови незначительна и находится в прямой зависимости от концентрации СО₂. Эта буферная система эффективно функционирует при значении рН около 7,4. Гидрокарбонатный буфер является основным внеклеточным буфером в организме. Это объясняется высокой концентрацией бикарбоната в плазме (24 ммоль/л) и типом системы. Гидрокарбонатный буфер является буферной системой открытого типа, тесно связанной с функционированием дыхательной системы и почек. Это позволяет быстро удалять через легкие углекислый газ, образующийся при диссоциации угольной кислоты, и регенерировать ион гидрокарбоната в почках. При этом СО₂ находится в динамическом равновесии с ионами водорода.

2.Фосфатная буферная система состоит из однозамещенного (донатор Н⁺) и двузамещенного (акцептор Н⁺) фосфатов в соотношении 1:4. Данный буфер наиболее эффективен при рН=7,2, но способен оказывать влияние в диапазоне от 6,1 до 7,7. Значение этой системы в крови незначительно. Более заметную роль фосфатный буфер играет в регуляции рН внутриклеточной жидкости, где концентрация фосфатов намного выше, чем вне клеток. Большое значение данный буфер имеет в почках, т.к. в почечных канальцах происходит концентрирование буфера и значительное увеличение его мощности.

3.Белковая буферная система характеризуется тем же принципом функционирования, что и гидрокарбонатная. Буферные свойства белков обусловлены таким их свойством, как амфотерность, которое проявляется одновременным наличием у них свойств кислот и оснований за счет наличия в молекулах свободных кислотных и основных групп. Поэтому в кислой среде белки связывают ионы водорода, а в щелочной – отдают. Данная буферная система имеет большую емкость с эффективным динамическим диапазоном. Особенно важна роль белковой системы как внутриклеточного буфера.

4.Гемоглобиновая буферная система занимает значительную долю (до 75%) в буферной емкости крови. Ее функционирование во многом сходно с белковым буфером, что связано с белковой структурой и амфотерными свойствами гемоглобина. Данная система состоит из оксигенированного (HbO₂ – донор Н⁺) и неоксигенированного (HHb — Н⁺) гемоглобина. В окисленной форме гемоглобин проявляет свои кислотные свойства и способен диссоциировать с отдачей в среду Н⁺ в 70-80 раз сильнее, чем восстановленный. Взамен отданных ионов водорода он, соответственно, больше связывает ионы калия из КНСО₃, находящегося внутри эритроцитов. Основная роль гемоглобиновой буферной системы связана с ее участием в транспорте СО₂ и кислорода между тканями и легкими