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 = рК_а + lgC[акцептор протона]/[донор протона]

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

рН = рК_а + lgC(HCO₃^‾)/C(H₂CO₃)

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

рН = 6,1 + lgС(НСО₃^‾)/0,033p(CO₂).

Протекающая в организме обратимая реакция ускоряется к а р б о а н г и д р а з о й: СО₂ + Н₂О ↔ Н⁺ + НСО₃ ^‾.

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 рК_а = 6,8, а акцептора протона – ион НРО₄^2‾. Работа этой буферной системы описывается уравнением Гендерсона-Гассельбаха:

рН = 6,8 + lg[НРО₄^2‾ ]/[ 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.