Регуляция концентрации протонов
Образующиеся за сутки протоны (40-80 ммоль) могут быть легко связаны буферными системами организма, однако протекание процессов жизнедеятельности невозможно без выделения протонов из организма и регенерации емкости буферных систем. Регуляция этих процессов - одна из основных функций органов выделения легких , почек, кишечника , кожи.
Дыхание непосредственно связано с работой CO2/H2CO3 системы. Однако, учитывая указанное выше равновесие между отдельными буферными системами, изменения касаются косвенно также и других буферных систем.
Концентрация двуокиси углерода в жидкостях тела зависит непосредственно от парциального давления двуокиси углерода в альвеолах легких (40 mm Hg) ([CO2] = S х pCO2) (S молярный коэффициент растворимости).
Таким образом, дыхание может вызывать быстрое изменение концентрации протонов и в случае первоначальных нарушений дыхания, либо компенсируя вторичные нереспираторные нарушения. Баланс протонов при этом не изменяется.
При значении рН гломерулярного фильтрата равном 7.4, 80 % фосфатов этой системы представлено двузамещенной - и 20 % однозамещенной формами ионов фосфорной кислоты (отношение 4:1). Благодаря благоприятному положению значения рK равному 6,80 (рН=рК±1 для нелетучих буферных систем) эта система превосходно соответствует условиям поддержания рН в моче. Уже при рН 4.5 почти весь двузамещенный фосфат превращается, принимая протон по уравнению НРО4- + Н+--- Н2РО4- в двузамещенный. Таким способом около 50% протонов попадающих в мочу могут быть связаны.
При титровании мочи щелочью (0.1 N NаОН) связанные этой буферной системой протоны можно определить количественно. Эта величина обозначается как титруемая кислотность мочи, которая у здорового человека составляет 10-40 ммоль /24 часа.
Титруемая кислотность сильно повышается при нагрузках кислотой. Емкость этой нелетучей буферной системы при нагрузках относительно мала, так как уровень фосфатов в моче во многом определяется их потреблением с пищей
Белковая буферная система. Ее буферный свойства связаны в основном с содержанием в ПП монаминодикарбоновых и диаминомонокарбоновых аминокислот. При сдвиге рН а щелочную сторону диссоциация основных групп угнетается, и белок ведет себя как кислота, связывая основание, эта кислота дает соль (NaPt). При сдвиге рН в кислую сторону, белки ведут себя как основание.
Гемоглобиновая буферная система.- самая мощная. На ее долю приходится 75% всей буферной емкости крови. При насыщении Hb кислородом, он становится более сильной кислотой (HbO2) и способен отдавать протоны. В случае отдачи кислорода, он становится очень слабой кислотой. Форма HbO2 способна нейтрализовать щелочные продукты.
В форме калиевой соли- КHbO2, гемоглобин способен взаимодействовать с кислыми продуктами
( с ионами Н+).
КНb + H2CO3 -------- КНCО3 + ННb
Именно этот механизм обеспечивает сохранение рН крови в норме, несмотря на большое количество СО2, попавшего в венозную кровь. Попадая в капилляры легких, ННb, превращается в КНbО2, что приводит к некоторому подкислению крови, и снижению ее щелочного резерва.( т.е. способности связывать СО2). Т.е. НbО2 препятствует ощелачиванию крови после удаления СО2.
Эффект разбавления. По мере накопления протонов, и насыщения буферных систем определенной ткани, в этой ткани начинают преобладать анаэробные процессы, образуется лактат, и возникает сдвиг рН в кислую сторону. Это приводит к удалению рН из этой ткани по принципу осмолярности и электронейтральности.
Образование труднорастворимых комплексов. Например ФЛ мембран могут акцептировать протоны.
Уровень физиологических механизмов - это включение в систему регуляции КЩС отдельных тканей и органов. Они срабатывают, если в организме наблюдается задержка летучих и нелетучих кислот. При ацидозе активируется дыхательный центр( вследствие этого возникает гипервентиляция легких интенсивное удаление СО2). Это ГНГ, который поглощает Н+.
Легочная компенсация КЩС наступает сразу через 30 сек после его нарушения. Легкие выделяют за 24 часа в 200 раз больше кислых продуктов в виде СО2, чем почки.
При алкалозе включается система задержки дыхания( гиповентиляция) с целью сохранения СО2.
Функции почек проявляются в работе дистального отдела, При ацидозе почки выделяют Н+ в мочу ( закисление мочи) и реабсорбируют НСО3- в кровь ( подщелачивание крови). При алкалозе реакция обратная. Прием растительной пищи в диете увеличивает рН. Белки вызывают снижение рН.
Печень принимает участие в регуляции КЩС тем, что синтезирует буферные системы, удаляет с желчью кислые и щелочные продукты.
Желудок участвует в регуляции КЩС путем выделения НСL, а поджелудочная железа- бикарбонатов.
Потовые, сальные и молочные железы также вносят свой вклад в регуляцию КЩС.
Классификация нарушений КЩС
Нормальный уровень рН крови- 7.4 ± 0.04. Свиг рН ниже 7.36 называется ацидозом, а выше7.44 – алкалозом. В клинике выделяют:
1.Компенсированный ацидоз( алкалоз), свига рН не происходит, благодаря работе буферных систем, однако они находятся в состоянии истощения.
2.Субкомпенсированный ацидоз( алкалоз). В результате истощения буферов происходит сдвиг рН, но без развития картины ацидоза ( алколоза).
3.Декомпенсированный. Это изменение рН, ведущее за собой появление характерной картины ацидоза ( алколоза).
По своему происхождению нарушения КЩС различают:
1.Респираторные( газовые).
2. Метаболические( выделительные).
3.Смешанные. Но кроме того, ацидоз, как и алкалоз может быть острым и хроническим.
Механизм развития нарушений КЩС.
Респираторный алкалоз возникает при резком увеличении дыхательной функции легких( гипервентиляции). Например при вдыхании чистого О2, компенсаторной одышке. В этих случаях СО2 интенсивно удаляется из крови и [CO2] снижается ,т.е. снижается рСО2. Это приводит к тому, что равновесие в уравнении смещается влево:
СО2 + Н2О ------ Н2СО3 ----- Н+ + НСО3 -,
------ --------
снижается концентрация протонов, а рН увеличивается.
Респираторный ацидоз наступает при увеличении минутного объема дыхания( при бронхите, астме, асфиксии механического порядка). Это приводит к гиповентиляции и гиперкапнии, т.е. повышению рСО2 крови. При этом равновесие реакции вправо ( в строну образования Н+), концентрация ионов водорода возрастает и рН соответственно снижается.
Метаболический ацидоз обусловлен накоплением в тканях и плазме нелетучих органических кислот. Это происходит по разным причинам:
1.Приема с пищей большого количества кислых агентов
2.В результате эндогенного образования большого количества органических кислот (ПВК, лактат, ЖК).
3.Нарушении ацидо и аммониогенеза в почках
4. При потере щелочных агентов( рвота, понос).
Метаболический ацидоз может возникнуть при диабете, голодании и лихорадке. Однако истинной причиной метаболического ацидоза ( алколоза) является нарушения, связанные с энергообменом.
АДФ 3- +Фн + Н+ --------- АТФ4- --------- АДФ 3- + Фн + Н+
Данная реакция протека+ Н+ет в митохондриях ри помощи ионной помпы, создающей дельту µН+ . Т.о. митохондрия это единственная органелла, препятствующая закислению, путем синтеза АТФ. Метаболический ацидоз возникает вследствие преобладания АТФ-азной реакции( т.е. распада АТФ) над АТФ- синтетазной ( т.е. синтезом АТФ), Образующиеся при распаде АТФ протоны- накапливаются и снижают рН.
Метаболический алколоз с этой точки зрения возникает вследствие преобладания АТФ- синтетазной реакции, а такэе при накоплении идентичных эквивалентов в плазме различным путем.: при потере желудочного сока, при всасывании щелочных компонентов кишечного сока.
Протоны, необходимые для синтеза АТФ, образуются при окислении ГЛ. ЖК. Синтез АТФ-это кислород, зависимый процесс. Образовавшиеся протоны без кислорода для синтеза АТФ не используются, именно поэтому при метаболическом ацидозе( нагрузке ЖК, глюкозой, и при недостаточном поступлении О2, АТФ-азная реакция преобладает над АТФ синтетазной.
Механизмы компенсации нарушений КЩС.
При накоплении в тканях Н+, происходит связывание его с тканевыми буферами. При истощении буферной емкости ткани, срабатывает второй физико- химический механизм- эффект разбавления, т.е. протоны удаляются из ткани и попадают в кровь.Транспорт протонов за пределы клетки осуществляется за счет натрий- калий-АТФ_-азы и сопряжен с выходом из клетки 2К+ и импортом в клетку 3Na+.
На ранний стадиях ацидоза транспорт натрия и калия идет в обратном направлении: Калий в клетку, а натрий из клетки. Этот транспорт вызывает деполяризацию мембраны. Этот процесс энергозависим,т.к. сопровождается рассеиванием дельта µNa+( форма депонирования энергии). Небольшие концентрации протонов, проникших из плазмы забуфериваются при помощи внеклеточных буферов.
Большие концентрации протонов приводят к истощению буферной емкости крови сдвигу рН. При этом включаются респираторные механизмы компенсации, т.е при сдвиге рН на 0.1 происходит стимуляция дыхательного центра( через каротидные синусы). Это ведет к увеличению частоты дыхания в 1.5-2 раза. При этом улучшается газообмен. О2 активно проникает в ткани, улучшая их оксигенацию, при этом стимулируются блокированные Н+- АТФ- синтетазные реакции, за счет которых происходит поглощениеН+ и состояние ацидоза купируется. Протон при этом транспортируется в эритроциты, где связывается с Нb.
Если этих респираторных механизмов недостаточно, то включается деятельность других экскреторных систем. В первую очередь- уждаление Н+ с мочой. В почках включается ацидо и аммониогенез, в результате которых происходит подкисление мочи( за счет поступления Н+), и и одновременно подщелачивание крови( за счет поступления НСО3- в плазму).
В печени снижение рН ингибирует биосинтез мочевины.
NH3 + HCO3- ---мочевина реакция обратима.
При снижении рН отмечается дефицит HCO3 , поэтому и тормозится биосинтез мочевины и весь аммиак поступает в почки на образование катиона аммония.( аммониогенез менее энергоемкий, чем биосинтез мочевины). Так сохраняется бикарбонат и удаляется аммиак.
У больных с хроническими формами ацидоза может возникать явление остеопороза( деминирализации костей), кость поглощает протоны в обмен на ионы Са++.
В зависимости от происхождения, ацидозы( алкалозы)-респираторный или метаболический, будут формировать компенсаторные механизмы с противоположным знаком.
Если имеет место респиратоный ацидоз, то используется механизм освобождения организма от избытка кислот. Вся нагрузка по обеспечению компенсации ложится на почки, которые рефлекторно усиливают выделение Н+ в мочу( активация ацидо и аммониогенеза), а также усиливают поступление HCO3- в плазму.
Увеличение бикарбонат аниона влечент развитие метаболического алкалоза. Проще говоря респираторный ацидоз компенсируется метаболическим алкалозом, и наоборот.
Метаболический алкалоз, который вызван избыточным выведением Н+ почками, купируетя за счет задержки СО», путем легочной гиповентиляции. Поэтому рСО2 в крови увеличивается и развивается респираторный ацидоз.
Однако существуеи мнение, что дыхательная компенсация при метаболическом алкалозе отсутствует. Подтверждается то тем, что показатель рСО2 остается низким, несмотря на ожидаемое его компенсаторное повышение. Это объясняется тем, что дыхательный центр очень чувствителен к СО2, поэтому при увеличении рСО2, возникает легочная гипервентиляция( а не гипо, которая необходима для увеличения рСО2). В результате чего рСО2 опять снижается.
Ацидоз метаболический компенсируется. респираторным алкалозом, т.е при увеличении протонов и снижении рН, через каротидные синусы активируется дыхательный центр, и учащается дыхание, что приводит к снижению рСО2 плазмы.
Респираторный алкалоз, вызванный чрезмерным удалением СО2 из крови компенсируется через почки, которые задерживают протоны и усиливают выведение HCO3- , т.е. развивается метаболический ацидоз.
Заключение: Т.о. кровь осуществляет в организме различные функции. Она является транспортным средством, поддерживает постоянство «внутренней среды» организма (гомеостаз) и играет главную роль в защите от чужеродных веществ.