Постоянная концентрация ионов водорода во внутренней среде организма является одним из ее важнейших физиологических свойств. Активность биохимических, физико-химических и физиологических процессов, составляющих функционально единую систему стабилизации количества ионов водорода, определяют как кислотно-основное состояние (КОС).

Количество водородных ионов (Н⁺) во внеклеточной и внутриклеточной жидкостях измеряется наномолями. Например, в крови, при сбалансированном метаболизме концетрация водородных ионов составляет 40 нмоль/л (40х10^-9 моль/л). Содержание Н⁺ составляет приблизительно одну миллионную от количества натрия, калия, кальция, магния, хлора и других ионов биологических сред организма. Однако регуляция концентрации ионов водорода на два порядка точнее регуляции любого из ионов, концентрация которого в крови выражается в более ощутимых величинах - ммоль/л, в отличие от концентрации Н⁺ - нмоль/л.

Стабильная концентрация Н⁺ необходима для нормального функционирования биомолекул, субклеточных структур, клеток, органов и организма в целом. В частности, оптимальные концентрации ионов водорода в организме необходимы для:

• формирования и сохранения физиологически активной, трехмерной структуры биомолекул (например, белковые молекулы при нефизиологических концентрациях ионов водорода способны денатурировать и полностью утратить свою функциональную активность);
• проявления функциональной активности биомолекул и биологических структур (так, ферменты функционально активны как биокатализаторы при строго определенных концентрациях ионов водорода);
• перехода в растворенное состояние неорганических, низкомолекулярных и высокомолекулярных органических биомолекул (количество растворенных ионизированных форм кальция и магния находится в строгой зависимости от концентрации ионов водорода; щавелевая, мочевая и другие трудно растворимые кислоты требуют для растворения определенные концентрации ионов водорода; для белков концентрация ионов водорода, определяющая их минимальную растворимость, является одной из ключевых характеристик и называется изоэлектрической точкой);
• ионы водорода участвуют в системе реакций освобождения энергии, формируя трансмембранный электрохимический потенциал, преобразуемый в энергию химической связи АТФ;
• содержание ионов водорода в секрете клеток покровных тканей определяет активность их неспецифической защиты.

Количество ионов водорода выражается в виде отрицательного логарифма от молярной концентрации Н⁺ и записывается символом рН. Правильное течение процессов обмена веществ возможно при незначительных колебаниях концентрации ионов водорода в тканях. В процессе метаболизма в результате превращений веществ в течение 24 ч образуется около 15000 ммоль угольной кислоты (Н₂СО₃) и до 1 ммоль-экв/кг массы тела - нелетучих кислот. Основным источником нелетучих кислот являются серосодержащие белки пиши и распадающиеся белки клеток, продукты неполного окисления жирных кислот и углеводов (кетокислоты, молочная кислота и др.).

Значения рН, совместимые с жизнью, находятся в пределах от 6,80 до 7,80 ед. ([Н] = 160 нмоль/л - 16 нмоль/л).

Состоянию нормы соответствует еще более узкий диапазон значений рН. В частности для крови он составляет 7,37-7,44, со средним значением 7,40 ([Н] = 40 нмоль/л). Образующиеся в результате метаболизма кислоты, а при их диссоциации ионы водорода и основания, в норме не должны изменять величину рН за пределы диапазона физилогической нормы. В организме физиологический оптимум значений концентрации Н⁺ поддерживается благодаря сбалансированному уровню активности функционально единой системы, включающей биохимические, буферные и физиологические процессы.

Реакция организма на образование физиологически неприемлемых количеств С0₂ и Н ⁺ включает:

1. химическое действие вне- и внутриклеточных буферов;
2. изменение интенсивности:
   • внутриклеточных биохимических процессов образования Н⁺ и С0₂;
   • альвеолярной вентиляции, контролирующей уровень Р_С02
   • почечной экскреции Н⁺, реабсорбции и синтеза бикарбоната.

При нормальных условиях буферные, биохимические и физиологические процессы регуляции поддерживают устойчивое равновесие между образованием и удалением Н⁺ и С0₂, что обеспечивает в плазме крови значение рН = 7,4 (рис. 20.1).

Соединения, предотвращающие резкое изменение концентрации ионов водорода, называются буферами. К ним относятся кислотно-основные пары, образованные слабыми кислотами (НА) и их кислотными остатками (А^– ), которые обладают основными свойствами, так как способны связывать ионы водорода (Н⁺).

Н⁺ + А^– НА

Основными буферными системами организма являются - бикарбонатная, фосфатная и белковая, включающая гемоглобиновый буфер (рис. 20.2).

Другие буферные системы организма менее важны в количественном отношении. Буферные системы в организме присутствуют как вне, так и внутри клеток. В буферной системе взаимосвязь между компонентами - ионами водорода, основными остатками и молекулами кислоты, подчиняется закону действующих масс:

К_а = [Н⁺]  ·  [А^– ] / [НА],

Преобразуя уравнение закона действующих масс относительно концентрации иона водорода, получаем:

[Н⁺] = К_а  ·  [НА] / [А^– ]

Логарифмируя значения величин уравнения, имеем:

pН = pК_а + lg([А^– ] / [НА]),

Полученное выражение получило название уравнения Гендерсона-Хассельбаха, по фамилиям ученых его предложивших. Оно позволяет рассчитать рН буферной системы по значениям: рК, отношению молярных концентраций основания и кислоты, или же, напротив, определить величину молярного отношения основания и кислоты, когда известны значения рН и рК_а.

Динамика изменения рН при титровании бикарбоната и дигидрофосфата представлена на рис. 20.3.

Количества кислоты или основания, необходимые для изменения рН буфера на единицу, называют буферной емкостью. Результаты анализа графиков титрования (рис. 20.3) показывают, что буферы имеют равную буферную емкость относительно ионов водорода и гидроксила при значениях рН равных рК, т. е. значениях рН, при которых слабая кислота из буферной пары диссоциирована на 50%. При значении рН равном рК_а буферные возможности кислотной и основной компонент буфера равнозначны относительно значения рК_а, буферная система в одинаковой мере устойчива к кислотной и основной нагрузке. Если значение рН превышает значение рК_а, то в соответствии с уравнением Гендерсона-Хассельбаха возрастает доля основной компоненты и, соответственно, кислотонейтрализующая способность буферной системы.

Из буферных систем крови максимальную кислотонейтрализующую способность имеет бикарбонатный буфер. В количественном отношении бикарбонатный буфер является преобладающим в цельной крови. Буферная емкость некарбонатных буферов крови составляет 25% от суммарного значения буферной емкости всех буферов крови. В этой величине 24%, приходится на гемоглобин и оксигемоглобин. Вклад бикарбонатной буферной системы плазмы в буферную емкость цельной крови равен 57%, бикарбонатная буферная система эритроцитов добавляет еще 18%. Суммарная буферная емкость бикарбонатной буферной системы плазмы крови и эритроцитов составляет 75% от общей буферной емкости цельной крови. Основное назначение буферных систем организма - стабилизировать физиологически оптимальное значение рН (7,4).

Внеклеточные буферы

Внеклеточные буферы в течение 1-2 с реагируют на изменения рН при нагрузке как кислотами, так и щелочами. Внеклеточные буферы способны компенсровать более 50% нагрузки органическими кислотами и практически всю нагрузку неорганическими кислотами. Более половины буферной емкости внеклеточных буферов приходится на бикарбонатную буферную систему. Остальная часть внеклеточной буферной емкости распределяется в основном между гидрофосфатной и белковой и другими буферными системами.

• Фосфатная буферная система (Н₂РО₄^–/НРО₄^2–) [показать]

  Для крови принципиальной роли эта система не играет. Ее доля в буферной емкости плазмы крови составляет не более 5%. Механизм буферного действия при нагрузке кислыми продуктами заключается в образовании из гидрофосфата (НР0₄^2–) дигидрофосфата (Н₂РО₄^–):

  Н2SО4	+	2Na2НРО4		Nа2SО4	+	2NaH2Р04
  сильная кислота		гидрофосфат		соль сильной кислоты		дигидрофосфат

  Дигидрофосфат - это слабодиссоциирующее соединение.

  При избыточной потере кислых продуктов и преобладании в среде оснований фосфатная буферная система включается следующим образом:

  NаОН	+	NaH2Р04		Nа2НРО4	+	Н2О
  щелочь		дигидрофосфат		гидрофосфат		вода

  Гидрофосфат - это слабодиссоциирующее соединение.

• Белковая буферная система (Рr^–/НРr) [показать]

  Концентрация белков в плазме крови составляет 60-80 г/л. В буферных процессах при рН 7,4 принимает участие лишь имидазольная группа гистидина, содержание которого в структуре белков плазмы крови невелико. В этой связи на долю белкового буфера в плазме крови приходится не более 3-5% буферной емкости.

• Бикарбонатная буферная система (НС0₃^–/Н2С03) [показать]

  Бикарбонатный буфер является основным внеклеточным буфером. На его долю приходится большая часть буферной емкости плазмы крови. Ведущая роль бикарбонатного буфера обусловлена интегрирующей ролью его компонентов в спектре биохимических реакций и физиологических функций стабилизации рН, связанных с работой почек и легких.

  В частности, аэробный метаболизм углеводов, липидов, белков приводит к образованию углекислого газа и воды, что в общем виде можно записать:

  аэробный метаболизм
  Субстраты	-->	СО2	+	Н20

  Вода и углекислый газ способны реагировать с образованием угольной кислоты, диссоциирующей на бикарбонат и ион водорода:

  СО₂ + Н₂0 Н₂С0₃ НС0₃^– + Н⁺

  Количество образующегося в течение суток при аэробном метаболизме СО₂ способно обеспечить синтез 15000-20000 ммоль угольной кислоты. Однако СО₂ быстро удаляется при дыхании и его остаточное содержание (парциальное давление Р_СO2 = 40 мм рт. ст.) при сбалансированном метаболизме обеспечивает синтез 1,2 ммоль/л угольной кислоты ([Н₂СО₃] = 0,03  ·  Р_СO2, где 0,03 - коэффициент растворимости Р_СO2 - ммоль/мм рт. ст).

  Концентрация бикарбоната в плазме крови является относительно стабильной величиной (24 ммоль/л) благодаря функциональной активности почек по его реабсорбции, синтезу при недостатке, удалению при избытке. Нормальное соотношение [НСО₃^–/ [Н₂СО₃] = 20 : 1.

  Решение уравнения Гендерсона-Хассельбаха относительно физиологически оптимальных значений дает значение рН = 7,4:

  рН = рК_H2CO3 + lg [НС0₃^– ] / [H₂CO₃],

  
  где рК_H2CO3 = 6,1;     [НС0₃^– ] = 24 ммоль/л;     [H₂CO₃] = 1,2 ммоль/л.

  Отсюда:

  рН = 6,1 + lg(24/1,2) = 6,1 + lg 20 = 6,1 + 1,3 = 7,4

  Увеличение внеклеточной концентрации угольной кислоты и, соответственно, водородных ионов приводит к приросту содержания Н⁺ в клетках, что сопровождается депрессией внутриклеточных биохимических процессов образования Н⁺ и СО₂.

  Механизм буферного действия бикарбонатной буферной системы принципиально совпадает с механизмом действия фосфатной буферной системы. Ионы водорода соединяются с бикарбонатом и дают слабодиссоциируюшую угольную кислоту (рК = 6,1):

  НСl	+	NаНСО3		+	Н2С03
  сильная кислота		буфер		соль		слабая кислота

  В случае нагрузки гидроксильным ионом (ОН^–) угольная кислота отдает ион водорода, и в результате реакции образуются бикарбонат (НС0₃^– ) и вода (Н₂0):

  NaOH	+	Н2НСО3		NaНСО3	Н20
  щелочь		слабая кислота		бикарбонат		вода

  Взаимосвязь бикарбонатной буферной системы с биохимическими и физиологическими процессами обеспечивает ее динамичность и способность предупреждать значительные изменения рН артериальной крови. Если одномоментно на каждый литр крови добавить 12 ммоль Н⁺, то концентрация бикарбоната в крови снизится с 24 ммоль/л до 12 ммоль/л. При исходном значении Р_С02 - 40 мм рт. ст. рН крови составит 7,1. Через минуту концентрация бикарбоната будет равна 21,5 ммоль/л, рН крови повысится до 7,35. Через час значения показателей бикарбонатной буферной системы будут соответствовать нормальным значениям.

  Быстрая нейтрализация ионов водорода в начальный момент обеспечивается их связыванием с бикарбонатом плазмы крови, увеличение количества бикарбоната в следующую минуту обусловлено его выходом из внутриклеточного пространства.

Внутриклеточные буферы

Внутриклеточные буферы активно участвуют в минимизации изменений рН внутри и вне клеток при нагрузке как кислотами, так и щелочами. Внутриклеточные буферы способны компенсировать более 50% нагрузки некарбоновыми кислотами и практически всю нагрузку угольной кислотой.

Падение рН крови ниже нормы приводит к активному поглощению ионов водорода внутриклеточным пространством в обмен на ионы натрия и калия. Концентрация калия плазмы в этих условиях возрастает на 0,6 ммоль/л на каждое изменение рН на 0,1. Избыток ионов водорода в цитозоле клеток ингибирует внутриклеточные биохимические процессы образования Н⁺.

Напротив, увеличение рН крови выше нормы приводит к активному выделению ионов водорода внутриклеточным пространством в обмен на ионы натрия и калия. Снижение концентрации калия плазмы в этих условиях может привести к гипокалиемии.

Значительное депо буферов находится в кости. Костное депо буферов способно обеспечить до 40% буферной емкости при острой нагрузке кислотой. Нейтрализация избытка Н⁺ осуществляется, в частности, карбонатом костной ткани, что вызывает высвобождение из нее кальция во внеклеточную жидкость. При хронической нагрузке кислотами или щелочами вклад буферов кости в общую буферную емкость превышает 40%.

Особое место среди внутриклеточных буферов занимает гемоглобиновая буферная система (Нb^– /ННb и НbO^– /ННbО).

Гемоглобиновая буферная система состоит из неионизированного гемоглобина - ННb (слабая органическая кислота) и калиевой соли гемоглобина - КНb (сопряженное основание). На нее приходится около 24% буферной емкости цельной крови. Буферные свойства гемоглобина обусловлены возможностью взаимодействия кислореагирующих соединений с КНb и образованием эквивалентного количества соответствующей калиевой соли кислоты и свободного Нb:

КНb + Н₂СО₃ --> КНС0₃ + ННb

В буферном действии молекулы гемоглобина имеет значение имидазольная группа гистидина. Ее диссоциация зависит от насыщения гемоглобина кислородом. При насыщении гемоглобина кислородом он становится более сильной кислотой. Оксигемоглобин легко отдает ионы водорода, напротив, дезоксигемоглобин способен активно связывать ионы водорода. В капиллярах тканей оксигемоглобин, превращаясь в дезоксигемоглобин, играет роль основания. В легких идет обратный процесс: оксигенируясь гемоглобин отдает в среду ион водорода, который связывается с бикарбонатом, образующаяся угольпаи кислота разлагается карбоангидразой па воду и углекислый газ (СО₂). СО₂ диффундирует в альвеолярное пространство благодаря разности его парциальных давлений в венозной крови и альвеолах равной 6 мм рт. ст. Более подробно сопряжение между гемоглобиновой и бикарбонатной буферными системами будет рассмотрено ниже.

Страница 1 2 3 4 5 6 7

всего страниц: 7

ЛИТЕРАТУРА [показать] .

Источник: Медицинская лабораторная диагностика, программы и алгоритмы. Под ред. проф. Карпищенко А.И., СПб, Интермедика, 2001