Bufernye_sistemy_organizma

БУФЕРНЫЕ СИСТЕМЫ ОРГАНИЗМА

Основными буферными системами организма являются

гидрокарбонатная, гемоглобиновая, фосфатная и белковая.

Из кишечника и тканей в кровь при обмене веществ постоянно поступают различные кислоты (угольная, молочная, масляная и др.) и в меньшей степени основания (аммиак, креатин). В организме человека в спокойном состоянии ежесуточно образуется количество кислоты, эквивалентное ≈ 2,5 л концентрированной соляной кислоты. Тем не менее, благодаря буферным системам организма, рН крови остаётся постоянным

(7,4 ± 0,04).

Гидрокарбонатная буферная система

Гидрокарбонатная система образована оксидом углерода (IV) (кислота) и гидрокарбонат-ионом (основание). Условно всё количество СО2, как физически растворённого, так и гидратированного – Н2СО3, принято рассматривать как угольную кислоту. Уравнение Гендерсона-Гассельбаха для гидрокарбонатной буферной системы имеет вид:

рН = рКа + lgC[акцептор протона]/[донор протона]

применительно к гидракорбонатной буферной системе носит название уравнения Гендерсона-Гассельбаха и имеет вид:

рН = рКа + lgC(HCO3 )/C(H2CO3)

В физиологических условиях величина рКа = 6,1. Выразив концентрацию СО2 через парциальное давление и учитывая коэффициент растворимости газа, получим уравнение:

Угольная кислота при физиологическом значении рН = 7,40 находится преимущественно в виде моноаниона, а отношение концентраций компонентов в гидрокарбонатной буферной системе крови [HCO3 ]/[CO2] = 20 : 1. Следовательно, гидрокарбонатная система имеет буферную ёмкость по кислоте значительно больше буферной ёмкости по основанию. Это отвечает особенностям метаболизма нашего организма.

При поступлении в кровь кислот идёт процесс:

Н+ + НСО3 ↔ Н2СО3 ↔ СО2↑ + Н2О Выделяющийся СО2 выводится из организма в процессе дыхания через

лёгкие.

При поступлении в кровь оснований, они связываются угольной кислотой, и равновесие смещается в сторону НСО3 :

ОН + Н2СО3 ↔ НСО3 + Н2О Главное назначение гидрокарбонатного буфера заключается в

нейтрализации кислот. Он является системой быстрого реагирования, так как продукт его взаимодействия с кислотами – углекислый газ – быстро выводится через лёгкие. Помимо плазмы гидрокарбонатная система содержится в эритроцитах, жидкости, почечной ткани.

Нарушение кислотно-основного равновесия в организме прежде всего компенсируется с помощью гидолкарбонатной буферной системы (за 10 – 15 минут). При этом изменяется отношение [HCO3 ]/[ Н2СО3]. Затем за счёт лёгочной вентиляции это соотношение восстанавливается до нормы за 10 – 18 часов. Гидрокарбонатный буфер является основной буферной системой плазмы крови, обеспечивающей около 55% от всей буферной ёмкости крови. Помимо плазмы гидрокарбонатная система содержится в эритроцитах, жидкости, почечной ткани.

Фосфатная буферная система

Гидрофосфатная буферная система содержится как в крови, так и в клеточной жидкости других тканей, особенно почек. В клетках она представлениа солями К2НРО4 и КН2РО4, а в плазме крови и в межклеточной жидкости Na2HPO4 и NaH2PO4. Роль донора протона в этой системе играет ион Н2РО4 характеризующийся в физиологических условиях рКа = 6,8, а акцептора протона – ион НРО42 . Работа этой буферной системы описывается уравнением Гендерсона-Гассельбаха:

рН = 6,8 + lg[НРО42 ]/[ Н2РО4 ]

Отношение [HPO4 2- ]/[H2PO4] в плазме крови (при рН = 7,4) равно 4 : 1 . Следовательно, эта система имеет буферную ёмкость по кислоте больше, чем по основанию.

Например, при увеличении концентрации катионов Н+ во внутриклеточной жидкости, например, в результате переработки мясной пищи, происходит их нейтрализация ионами НРО4 2- :

Н+ + НРО4 2- ↔ Н2РО4 1-

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 Н2РО4 1-:

ОН + Н2РО4 1- ↔ НРО4 2- + Н2О

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. Фосфатная буферная система крови характеризуется меньшей буферной ёмкостью, чем гидрокарбонатная, из-за малой концентрации компонентов крови. Однако эта система играет решающую роль не только в моче, но и в других биологических средах – в клетке, в соках пищеварительных желез, в моче.

Гемоглобиновая буферная система

Гемоглобиновая буферная система является сложной буферной системой. В её составе в качестве донора протона выступают две слабые кислоты: гемоглобин ННb и оксигемоглобин НнbO2. Роль акцептора протона играют анионы этих кислот (сопряженные кислотам основания) Hb и HbO2 . Механизм буферного действия этой системы основан на следующих реакциях:

При добавлении кислот поглощать ионы Н+ будут в первую очередь анионы гемоглобина, которые имеют большое сродство к протону.

При добавлении основания оксигемоглобин будет проявлять большую активность, чем гемоглобин:

Гемоглобиновая буферная система крови играет значительную роль сразу в нескольких физиологических процессах: дыхании, транспорте кислорода в ткани и в поддержании постоянства рН внутри эритроцитов, а в конечном итоге – в крови. Буферная система крови успешно функционирует только вместе с другими буферными системами крови.

Белковые и аминокислотные буферные системы

Значительную долю буферной ёмкости крови обеспечивают белковые буферные системы (гемоглобин, оксигемоглобин, белки плазмы).

Молекулы белков (Prot-H) содержат остатки аминокислот H2N – CHR

– COOH, которые проявляют себя как амфотерные электролиты. В их молекулах группы –СООН имеют слабые кислотные, а –NH2 ─ слабоосновные свойства. Соответственно, белки противодействуют как подкислению, так и подщелачиванию среды.

Белковая буферная система работает совместно с гидрокарбонатной системой:

Равновесия (а) и (б) тесно связаны между собой. Рост концентрации СО2 (например, при мышечной работе или за счёт снижения скорости удаления при дыхательной недостаточности) сдвигает реакцию (а) вправо, а реакцию (б) – влево.

Следовательно, увеличение концентрации бикарбонат-иона соответствует снижению концентрации Prot . Сумма концентраций HCO3 и Prot остаётся неизменной благодаря совместному действию этих буферных систем.

Если ионы водорода возникают из других источников (диабетический кетоз, образование молочной кислоты при гипоксии и т.д.), то обе реакции сдвигаются влево, образуются формы Prot-H и CO2, при этом избыток СО2 удаляется через лёгкие.

Аминокислотные буферные растворы

Рассмотрим в качестве примера простейшую аминокислоту – глицин (аминоуксусная кислота). Глицин существует в водном растворе в виде биполярного иона:

H2N – CH2 – COO ↔ H3N – CH2 – COO

Из схемы видно, что катион глицина R + можно рассматривать как слабую двухосновную кислоту, которая характеризуется двумя константами ионизации Ка1 и Ка2 (или р Ка1 = 2,6 и Ка2 = 9,8). Следовательно, должно существовать два вида глициновых буферных растворов.

В водных растворах глицина все его три формы (R +, R , R ) находятся в подвижном равновесии. Это равновесие при подкислении должно сдвигаться в сторону увеличения концентрации R+. Следовательно при добавлении к глицину определённого количества сильной кислоты получается смесь двух форм R+ и R± , которая представляет собой глициновый кислотный буферный раствор.

N +H3 – CH2 – COO + H+(недост.) ↔ NH3 + – CH2 – COOH

В этом случае катион глицина играет роль кислоты, а глицин – соли. Величина рН такого раствора вычисляется по формуле:

рН = рКа1 + lg[R±] / [R+]

При добавлении к глицину щелочи равновесие сдвигается в сторону увеличения концентрации R . При этом можно получить смесь форм R± и R . Такая смесь представляет собой глициновый щелочной буферный раствор.

NH3+ - CH2 - COO + OH (недост.) ↔ NH2 – CH2 – COO

Вэтом случае роль кислоты играет биполярный ион глицина R±, а соли

–анион глицина R . Величину рН такой буферной смеси вычисляют по формуле:

рН = рКа2 + lg[R±] / [R+]

Кислотно-основаное состояние организма

Кислотно-основное состояние – неотъемлемая составная часть гомеостаза внутренней среды организма, который обеспечивает оптимальные условия правильного течения обмена веществ.

Физиологические системы регуляции кислотно-основного состояния связаны с функциональной активностью лёгких и почек.

Процессы, происходящие в лёгких, связаны с тем, что образование оксигемоглобина приводит к освобождению иона водорода из гемоглобина. Ион водорода ассоциируется с бикарбонатом. Образующаяся в результате угольная кислота распадается в лёгких под действием фермента карбоангидразы, и удаление СО2 в атмосферу смещает равновесие этой реакции в сторону распада угольной кислоты. Ион водорода при этом оказывается в составе воды, - соединения, мало способного к диссоциации. В

результате этих процессов идёт активное удаление гидрокарбонат-иона, потери которого восполняются его ресинтезом в почках.

Действие почек заключается в удалении из организма ионов водорода и насыщении плазмы крови гидрокарбонат-ионом. При этом принципиальную роль играет фермент карбоангидраза клеток канальцев почек, имеющая ту особенность, что быстро образует угольную кислоту и значительно более медленно её разлагает, вне зависимости от концентрации СО2 и воды.

Принципиальную роль играют биосинтез аммиака в почках и фосфатная буферная система мочи. В результате ферментативной реакции дезаминирования (отщепление аммиака) глутаминовой кислоты образуется аммиак, который связывает протоны, превращаясь в ион аммония. Процесс замены натрия на аммоний в дигидрофосфате приводит к изменению соотношения гидрофосфат/дигидрофосфат от 1 : 4 в крови до 1 : 50 в почках.

Способносмть почек выводить из организма ионы водорода настолько велика, что в итоге соотношение между концентрациями водородных ионов в моче и в крови может составить 800 : 1.

Рассмотренные буферные системы крови и физиологические механизмы в норме обеспечивают стабильное значение рН . Дисбаланс между образованием и удалением ионов водорода, когда вышеуказанные механизмы стабилизации не справляются с нагрузкой, приводит к снижению или повышению рН. В первом случае (снижение рН) состояние называется ацидозом. Во втором случае (при повышении рН) – алкалозом.

В зависимости от механизма развития расстройств кислотно-основного состояния выделяют дыхательный и метаболический ацидозы и алкалозы.

Метаболический ацидоз характеризуется нарушением метаболизма, которое приводит к нескомпенсированному или частично компенсированому падению рН крови.

Метаболический ацидоз наступает вследствие:

а) избыточного введения или образования стойких кислот (поступление кетокислот при голодании и диабете, повышеное образование молочной кислоты при шоке, повышенное образование серной кислоты при усиленном катаболизме, то есть в процессе распада биомолекул, и др.); б) неполного удаления кислот при почечной недостаточности;

в) избыточной потери гидрокарбонат-иона в результате поноса, колита, язвы кишечника. Процессы компенсации связаны с нейтрализацией ионов водорода гидрокарбонат-ионом и усилением лёгочной вентиляции.

Метаболический алкалоз характеризуется нарушением метаболизма, которое приводит к нескомпенсируемому или частично компенсируемому увеличению рН крови.

Метаболический алкалоз наступает вследствие:

а) потери водородных ионов (высокая кишечная непроходимость, рвота и др.);

б) увеличение концентрации гидрокарбоната (потеря воды, избыточное введение гидрокарбонат-ионов при метаболическом ацидозе, введение солей

органических кислот – молочной, уксусной, лимонной, метаболизирующих с поглощением ионов водорода и др.).

Компенсации этого явления достигают снижения лёгочной вентиляции (задержка СО2), удалением гидрокарбонат-иона почками.

Дыхательный ацидоз – это нескомпенсированное или частично компенсированное снижение рН в результате гиповентиляции из-за:

угнетении дыхательного центра лекарственными средствами или наркотиками – опиатами, барбитуратами и т.п.

Дыхательный алкалоз – это нескомпенсированное или частично компенсированное повышение рН в результате гипервентиляции из-за лихорадочного состояния или истерии. Процессы компенсации осуществляются буферными системами, повышенным выведением гидрокарбонат-иона почками.

Для коррекции кислотно-щелочного равновесия при ацидозах обычно используют 4% раствор гидрокарбоната натри, который вводят внутривенно. Коррекция кислотно-щелочного равновесия при алкалозах более слона. В качестве одной из временных мер целесообразно введение 5% аскорбиновой кислоты.